Los antiguos astrónomos de Babilonia, Asiria y Egipto sabían la duración aproximada del año. Los egipcios de hace 3000 años, por ejemplo, adoptaron un calendario basado en un año de 365 días. Mantuvieron un seguimiento cuidadoso del tiempo de ascenso de la brillante estrella Sirius en el cielo antes del amanecer, que tiene un ciclo anual que se corresponde con la inundación del río Nilo. Los chinos también tenían un calendario de trabajo; determinaron la duración del año aproximadamente al mismo tiempo que los egipcios. Los chinos también registraron cometas, meteoritos brillantes y manchas oscuras en el Sol. (Muchos tipos de objetos astronómicos se introdujeron en Science and the Universe: A Brief Tour. Si no está familiarizado con términos como cometas y meteoritos, es posible que desee revisar ese capítulo). Más tarde, los astrónomos chinos mantuvieron registros cuidadosos de "estrellas invitadas". ": Aquellos que normalmente son demasiado débiles para ver, pero de repente estallan para hacerse visibles a simple vista durante algunas semanas o meses. Todavía usamos algunos de estos registros para estudiar estrellas que explotaron hace mucho tiempo.
La cultura maya en México y América Central desarrolló un calendario sofisticado basado en el planeta Venus, e hicieron observaciones astronómicas desde sitios dedicados a este propósito hace mil años. Los polinesios aprendieron a navegar por las estrellas a lo largo de cientos de kilómetros de océano abierto, una habilidad que les permitió colonizar nuevas islas lejos de donde comenzaron.
En Gran Bretaña, antes del uso generalizado de la escritura, los pueblos antiguos usaban piedras para realizar un seguimiento de los movimientos del Sol y la Luna. Todavía encontramos algunos de los grandes círculos de piedra que construyeron para este propósito, que datan de 2800 a. C. El más conocido de estos es Stonehenge, que se discute en la Tierra, la Luna y el Cielo.
Cosmología griega y romana primitiva
Nuestro concepto del cosmos, su estructura y origen básicos, se llama cosmología, una palabra con raíces griegas. Antes de la invención de los telescopios, los humanos tenían que depender de la simple evidencia de sus sentidos para obtener una imagen del universo. Los antiguos desarrollaron cosmologías que combinaban su visión directa de los cielos con una rica variedad de simbolismo filosófico y religioso.
Al menos 2000 años antes de Colón, las personas educadas en la región del Mediterráneo oriental sabían que la Tierra era redonda. La creencia en una Tierra esférica puede haber surgido de la época de Pitágoras, un filósofo y matemático que vivió hace 2500 años. Creía que los círculos y las esferas eran "formas perfectas" y sugirió que la Tierra debería ser una esfera. Como evidencia de que a los dioses les gustaban las esferas, los griegos citaron el hecho de que la Luna es una esfera, utilizando la evidencia que describimos más adelante.
Los escritos de Aristóteles (384–322 a. C.), el tutor de Alejandro Magno, resumen muchas de las ideas de su época. Describen cómo la progresión de las fases de la Luna, su aparente forma cambiante, resulta de que veamos diferentes porciones del hemisferio iluminado por el sol de la Luna a medida que pasa el mes (ver Tierra, Luna y Cielo). Aristóteles también sabía que el Sol tenía que estar más lejos de la Tierra que la Luna porque ocasionalmente la Luna pasaba exactamente entre la Tierra y el Sol y ocultaba el Sol temporalmente de la vista. Llamamos a esto un eclipse solar.
Aristóteles citó argumentos convincentes de que la Tierra debe ser redonda. Primero está el hecho de que cuando la Luna entra o emerge de la sombra de la Tierra durante un eclipse de Luna, la forma de la sombra que se ve en la Luna siempre es redonda. Solo un objeto esférico siempre produce una sombra redonda. Si la Tierra fuera un disco, por ejemplo, habría algunas ocasiones en que la luz del sol la golpearía de borde y su sombra en la Luna sería una línea.
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| La Sombra Redonda de la Tierra. Un eclipse lunar ocurre cuando la Luna entra y sale de la sombra de la Tierra. Observe la forma curva de la sombra, evidencia de una Tierra esférica que ha sido reconocida desde la antigüedad. |
Un pensador griego, Aristarco de Samos (310-230 a. C.), incluso sugirió que la Tierra se movía alrededor del Sol, pero Aristóteles y la mayoría de los antiguos eruditos griegos rechazaron esta idea. Una de las razones de su conclusión fue la idea de que si la Tierra se moviera alrededor del Sol, estarían observando las estrellas desde diferentes lugares a lo largo de la órbita de la Tierra. A medida que la Tierra avanza, las estrellas cercanas deben cambiar su posición en el cielo en relación con las estrellas más distantes. De manera similar, vemos que los objetos en primer plano parecen moverse contra un fondo más distante cada vez que estamos en movimiento. Cuando viajamos en un tren, los árboles en primer plano parecen cambiar su posición con respecto a las colinas distantes a medida que pasa el tren. Inconscientemente, usamos este fenómeno todo el tiempo para estimar distancias a nuestro alrededor.
El cambio aparente en la dirección de un objeto como resultado del movimiento del observador se llama paralaje. Llamamos al cambio en la dirección aparente de una estrella debido al paralaje estelar del movimiento orbital de la Tierra. Los griegos hicieron esfuerzos dedicados para observar paralaje estelar, incluso recurriendo a la ayuda de los soldados griegos con la visión más clara, pero fue en vano. Las estrellas más brillantes (y presumiblemente más cercanas) simplemente no parecían cambiar cuando los griegos las observaron en la primavera y luego nuevamente en el otoño (cuando la Tierra está en el lado opuesto del Sol).
Esto significaba que la Tierra no se movía o que las estrellas tenían que estar tan lejos que el cambio de paralaje era inconmensurablemente pequeño. Un cosmos de tal magnitud requirió un salto de imaginación que la mayoría de los filósofos antiguos no estaban preparados para hacer, por lo que se retiraron a la seguridad de la visión centrada en la Tierra, que dominaría el pensamiento occidental durante casi dos milenios.
¿Cómo sabemos que la Tierra es redonda?
Además de las dos formas (de los escritos de Aristóteles) discutidas en este capítulo, también puede razonar de la siguiente manera:
- Veamos un barco salir de su puerto y navegar a lo lejos en un día despejado. En una Tierra plana, solo veríamos que la nave se hace cada vez más pequeña a medida que navega. Pero esto no es lo que realmente observamos. En cambio, los barcos se hunden debajo del horizonte, con el casco desapareciendo primero y el mástil permanece visible durante un tiempo más. Finalmente, solo se puede ver la parte superior del mástil mientras la nave navega alrededor de la curvatura de la Tierra. Finalmente, el barco desaparece bajo el horizonte.
- La Estación Espacial Internacional rodea la Tierra una vez cada 90 minutos más o menos. Las fotografías tomadas desde el transbordador y otros satélites muestran que la Tierra es redonda desde todas las perspectivas.
- Supongamos que hiciste un amigo en cada zona horaria de la Tierra. Los llamas a todos a la misma hora y preguntas: "¿Dónde está el sol?" En una Tierra plana, cada persona que llama te dará aproximadamente la misma respuesta. Pero en una Tierra redonda descubrirías que, para algunos amigos, el Sol estaría en lo alto del cielo, mientras que para otros estaría saliendo, poniéndose o completamente fuera de la vista (y este último grupo de amigos estaría molesto contigo por despertándolos).
Medición de la Tierra por Eratóstenes
Los griegos no solo sabían que la Tierra era redonda, sino que también podían medir su tamaño. Eratóstenes (276–194 a. C.), un griego que vive en Alejandría, Egipto, hizo la primera determinación bastante precisa del diámetro de la Tierra en aproximadamente 200 a. C. Su método era geométrico, basado en observaciones del Sol.
El Sol está tan lejos de nosotros que todos los rayos de luz que golpean nuestro planeta se acercan a nosotros a lo largo de líneas esencialmente paralelas. Tome una fuente de luz cerca de la Tierra, por ejemplo, en la posición A. Sus rayos golpean diferentes partes de la Tierra a lo largo de caminos divergentes. Desde una fuente de luz en B, o en C (que aún está más lejos), el ángulo entre los rayos que inciden en partes opuestas de la Tierra es más pequeño. Cuanto más distante es la fuente, más pequeño es el ángulo entre los rayos. Para una fuente infinitamente distante, los rayos viajan a lo largo de líneas paralelas.
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| Rayos de luz desde el espacio. Cuanto más distante es un objeto, más paralelos son los rayos de luz que provienen de él. |
A Eratóstenes le dijeron que el primer día de verano en Syene, Egipto (cerca de Asuán moderno), la luz del sol golpeó el fondo de un pozo vertical al mediodía. Esto indicaba que el Sol estaba directamente sobre el pozo, lo que significa que Syene estaba en una línea directa desde el centro de la Tierra hasta el Sol. En la fecha y hora correspondiente en Alejandría, Eratóstenes observó la sombra que formaba una columna y vio que el Sol no estaba directamente arriba, sino que estaba ligeramente al sur del cenit, de modo que sus rayos formaban un ángulo con la vertical igual a aproximadamente 1/50 de un círculo (7 °). Debido a que los rayos del Sol que golpean las dos ciudades son paralelos entre sí, ¿por qué los dos rayos no formarían el mismo ángulo con la superficie de la Tierra? Eratóstenes razonó que la curvatura de la Tierra redonda significaba que "hacia arriba" no era lo mismo en las dos ciudades. Y se dio cuenta de que la medición del ángulo en Alejandría le permitió calcular el tamaño de la Tierra. Alexandria, vio, debe estar a 1/50 de la circunferencia de la Tierra al norte de Syene. Alejandría se había medido en 5000 estadios al norte de Syene. (El estadio era una unidad griega de longitud, derivada de la longitud de la pista de carreras en un estadio). Eratóstenes descubrió que la circunferencia de la Tierra debe ser 50 × 5000, o 250,000 estadios.
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| Cómo Eratóstenes midió el tamaño de la Tierra. Eratóstenes midió el tamaño de la Tierra observando el ángulo en el que los rayos del Sol golpean la superficie de nuestro planeta. Los rayos del Sol vienen en paralelo, pero debido a las curvas de la superficie de la Tierra, un rayo en Syene baja directamente mientras que un rayo en Alejandría forma un ángulo de 7 ° con la vertical. Eso significa, en efecto, que en Alejandría, la superficie de la Tierra se ha curvado lejos de Syene en 7 ° de 360 °, o 1/50 de un círculo completo. Por lo tanto, la distancia entre las dos ciudades debe ser 1/50 de la circunferencia de la Tierra. |
No es posible evaluar con precisión la precisión de la solución de Eratóstenes porque hay dudas sobre cuál de los diversos tipos de estadios griegos utilizó como unidad de distancia. Si fuera el estadio olímpico común, su resultado es aproximadamente un 20% demasiado grande. Según otra interpretación, utilizó un estadio de aproximadamente 1/6 de kilómetro, en cuyo caso su cifra estaba dentro del 1% del valor correcto de 40,000 kilómetros. Incluso si su medición no fue exacta, su éxito al medir el tamaño de nuestro planeta utilizando solo sombras, luz solar y el poder del pensamiento humano fue uno de los mayores logros intelectuales de la historia.
Hiparco y precesión
Quizás el mayor astrónomo de la antigüedad fue Hipparchus, nacido en Nicea en lo que hoy es Turquía. Erigió un observatorio en la isla de Rodas alrededor del año 150 a. C., cuando la República romana estaba expandiendo su influencia en toda la región mediterránea. Allí midió, con la mayor precisión posible, las posiciones de los objetos en el cielo, compilando un catálogo de estrellas pionero con alrededor de 850 entradas. Él designó coordenadas celestes para cada estrella, especificando su posición en el cielo, tal como especificamos la posición de un punto en la Tierra al dar su latitud y longitud.
También dividió las estrellas en magnitudes aparentes según su brillo aparente. Llamó a los más brillantes "estrellas de primera magnitud"; el siguiente grupo más brillante, "estrellas de la segunda magnitud"; Etcétera. Este sistema bastante arbitrario, en forma modificada, todavía sigue en uso hoy (aunque es cada vez menos útil para los astrónomos profesionales).
Al observar las estrellas y comparar sus datos con observaciones anteriores, Hiparco hizo uno de sus descubrimientos más notables: la posición en el cielo del polo norte celeste se había modificado durante el siglo y medio anterior. Hiparco dedujo correctamente que esto había sucedido no solo durante el período cubierto por sus observaciones, sino que de hecho sucedía todo el tiempo: la dirección alrededor de la cual el cielo parece rotar cambia lenta pero continuamente. Recuerde de la sección sobre los polos celestes y el ecuador celeste que el polo celeste norte es solo la proyección del Polo Norte de la Tierra hacia el cielo. Si el polo celeste norte se tambalea, entonces la Tierra misma debe estar tambaleándose. Hoy entendemos que la dirección en la que apunta el eje de la Tierra cambia de manera lenta pero regular, un movimiento que llamamos precesión. Si alguna vez has visto un tambaleo de trompo, has observado un tipo de movimiento similar. El eje de la parte superior describe un camino en forma de cono, ya que la gravedad de la Tierra intenta derribarlo.
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| Precesión. Así como el eje de una parte superior que gira rápidamente se tambalea lentamente en un círculo, el eje de la Tierra se tambalea en un ciclo de 26,000 años. Hoy el polo norte celeste está cerca de la estrella Polaris, pero hace unos 5000 años estaba cerca de una estrella llamada Thuban, y en 14,000 años estará más cerca de la estrella Vega. |
El modelo de Ptolomeo del sistema solar
El último gran astrónomo de la era romana fue Claudio Ptolomeo (o Ptolomeo), que floreció en Alejandría aproximadamente en el año 140. Escribió una gigantesca recopilación de conocimiento astronómico, que hoy se llama por su nombre árabe, Almagest (que significa "El más grande "). Almagest no se ocupa exclusivamente del propio trabajo de Ptolomeo; Incluye una discusión sobre los logros astronómicos del pasado, principalmente los de Hiparco. Hoy, es nuestra principal fuente de información sobre el trabajo de Hiparco y otros astrónomos griegos.
La contribución más importante de Ptolomeo fue una representación geométrica del sistema solar que predijo las posiciones de los planetas para cualquier fecha y hora deseadas. Hiparco, al no tener suficientes datos disponibles para resolver el problema él mismo, había acumulado material de observación para la posteridad. Ptolomeo complementó este material con nuevas observaciones propias y produjo un modelo cosmológico que duró más de mil años, hasta la época de Copérnico.
El factor que complica la explicación de los movimientos de los planetas es que su aparente vagabundeo en el cielo resulta de la combinación de sus propios movimientos con la revolución orbital de la Tierra. Mientras observamos los planetas desde nuestro punto de vista sobre la Tierra en movimiento, es un poco como ver una carrera de autos mientras compites en ella. A veces los autos de los oponentes te pasan, pero otras veces los pasas, haciendo que parezcan moverse hacia atrás por un tiempo con respecto a ti.
A continuación se muestra el movimiento de la Tierra y de un planeta más alejado del Sol, en este caso, Marte. La Tierra viaja alrededor del Sol en la misma dirección que el otro planeta y en casi el mismo plano, pero su velocidad orbital es más rápida. Como resultado, adelanta al planeta periódicamente, como un auto de carrera más rápido en la pista interior. La figura muestra dónde vemos el planeta en el cielo en diferentes momentos. El camino del planeta entre las estrellas se ilustra en el campo estelar en el lado derecho de la figura.
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| Movimiento retrógrado de un planeta más allá de la órbita de la Tierra. Las letras en el diagrama muestran dónde están la Tierra y Marte en diferentes momentos. Al seguir las líneas desde cada posición de la Tierra a través de cada posición correspondiente de Marte, puede ver cómo se ve el camino retrógrado de Marte contra las estrellas de fondo. |
Además, debido a que los griegos creían que los movimientos celestes tenían que ser círculos, Ptolomeo tuvo que construir su modelo usando círculos solos. Para hacerlo, necesitaba docenas de círculos, algunos moviéndose alrededor de otros círculos, en una estructura compleja que marea al espectador moderno. Pero no debemos permitir que nuestro juicio moderno empañe nuestra admiración por el logro de Ptolomeo. En su día, un universo complejo centrado en la Tierra era perfectamente razonable y, a su manera, bastante hermoso. Sin embargo, como se informó que Alfonso X, el Rey de Castilla, dijo después de que el sistema ptolemaico de movimientos planetarios le explicara: "Si el Señor Todopoderoso me hubiera consultado antes de embarcarse en la Creación, debería haber recomendado algo más simple".
Ptolomeo resolvió el problema de explicar los movimientos observados de los planetas haciendo que cada planeta girara en una pequeña órbita llamada epiciclo. El centro del epiciclo giraba alrededor de la Tierra en un círculo llamado deferente. Cuando el planeta está en la posición x en la órbita del epiciclo, se mueve en la misma dirección que el centro del epiciclo; desde la Tierra, el planeta parece moverse hacia el este. Sin embargo, cuando el planeta está en y, su movimiento es en dirección opuesta al movimiento del centro del epiciclo alrededor de la Tierra. Al elegir la combinación correcta de velocidades y distancias, Ptolomeo logró que el planeta se moviera hacia el oeste a la velocidad correcta y durante el intervalo de tiempo correcto, replicando así el movimiento retrógrado con su modelo.
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| El complicado sistema cosmológico de Ptolomeo. Cada planeta orbita alrededor de un pequeño círculo llamado epiciclo. Cada epiciclo orbita en un círculo más grande llamado deferente. Este sistema no está centrado exactamente en la Tierra sino en un punto de compensación llamado el equivalente. Los griegos necesitaban toda esta complejidad para explicar los movimientos reales en el cielo porque creían que la Tierra era estacionaria y que todos los movimientos del cielo tenían que ser circulares. |
Sin embargo, veremos en Orbits and Gravity que los planetas, como la Tierra, viajan alrededor del Sol en órbitas que son elipses, no círculos. Su comportamiento real no puede representarse con precisión mediante un esquema de movimientos circulares uniformes. Para hacer coincidir los movimientos observados de los planetas, Ptolomeo tuvo que centrar los círculos deferentes, no en la Tierra, sino en puntos a cierta distancia de la Tierra. Además, introdujo un movimiento circular uniforme alrededor de otro eje, llamado punto de equilibrio. Todo esto complicó considerablemente su esquema.
Es un tributo al genio de Ptolomeo como matemático que pudo desarrollar un sistema tan complejo para explicar con éxito las observaciones de los planetas. Puede ser que Ptolomeo no tuviera la intención de que su modelo cosmológico describiera la realidad, sino que simplemente sirviera como una representación matemática que le permitiera predecir las posiciones de los planetas en cualquier momento. Cualquiera que sea su pensamiento, su modelo, con algunas modificaciones, fue finalmente aceptado como autoritario en el mundo musulmán y (más tarde) en la Europa cristiana.
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