Blog Chileno XXX

Vulcano y el fin de la mecánica de Newton

William Herschel

William Herschel

Isaac Newton está reconocido como uno de los científicos mas notables de todos los tiempos. Además de erigir la mecánica clásica, rama de la física que permite calcular el movimiento de un objeto conociendo las fuerzas que actuan sobre él, enunció la ley de la gravitación universal, la cual indica la fuerza con que el porno se atraen dos masas. Al combinar estas dos importantes leyes físicas pudo explicar elegantemente las leyes que Kepler enunció de manera empírica poco después de 1600 acerca del movimiento de los planetas. Asi, el enunciado de la primera de las leyes de Kepler, el cual establece que los planetas se mueven alrededor del Sol describiendo elipses (círculos achatados), puede deducirse de las ecuaciones de Newton, al considerar el movimiento de un objeto menor (el planeta) alrededor de otro mayor (el Sol).

A primera vista parece que las leyes de Newton bastan para describir plenamente el deambular de los planetas y satélites del sistema solar. Sin embargo, esta es una verdad parcial: si bien es cierto que un planeta aislado giraría alrededor del xvideos Sol describiendo una elipse, la presencia de otros objetos, los demás planetas, perturba este movimiento. Así, el orbitar de la Tierra alrededor del Sol se ve afectado por la existencia de planetas masivos como Júpiter, Saturno, y planetas cercanos, como Venus y Marte, quienes jalan a nuestro planeta y provocan que su movimiento concuerde sólo aproximadamente con la elipse establecida por la primera ley Kepler. Durante mas de doscientos años los físicos se dedicaron a estudiar complejas ecuaciones que permitieran describir con mayor exactitud el movimiento de los planetas. La constante mejora de los métodos matemáticos, y de las observaciones astronómicas, permitió corroborar la validez de las leyes de Newton. El ejemplo mas notable fue el descubrimiento de Neptuno. Poco después de que William Herschell descubriera Urano, las observaciones de este planeta mostraron que su movimiento no concordaba con los cálculos astronómicos, basados en las leyes de Newton. Mientras que algunos físicos empezaron a cuestionar la ley de la gravitación universal, Urbain Leverrier no dudó de ellas e interpretó las anomalías en el movimiento de Urano como evidencia de la existencia de un planeta aun no descubierto. Utilizando la mecánica celeste predijo la posición de este planeta, el cual fue descubierto en 1846 como consecuencia directa de los cálculos de Leverrier.

En ese momento culminó la confianza en la mecánica de Newton. No sólo había sido posible explicar el movimiento de los planetas conocidos; pequeñas irregularides en el movimiento de Urano habían conducido al descubrimiento de Neptuno. En aquel momento quedaba planteado un problema en relación con Mercurio, el planeta mas cercano al Sol. Después de considerar como el movimiento de este planeta es afectado por Venus, la Tierra, Júpiter y Saturno, quedaba una pequeña irregularidad sin explicación aparente: la elipse que describe Mercurio al girar alrededor del Sol tiene a su vez un ligero movimiento de rotación, de tan sólo un centésimo de grado por siglo. A este fenómeno se le denomina “precesión del perihelio”. Leverrier rápidamente se convenció que la explicación era la presencia de otro planeta por ser descubierto, esta vez no en los confines del sistema solar, sino en la vecindad inmediata del Sol. La búsqueda de este planeta era muy distinta a la que se llevó a cabo en el caso de Neptuno. Vulcano, como se llamó a este planeta de cuya existencia poco se dudaba, era buscado en la posición predicha en el brillo del ocaso e incluso durante el día, dañando la vista de mas de un persistente astrónomo en búsqueda de fama. Los constantes fracasos en hallarlo llevaron a los astrónomos a realizar cuidadosas observaciones durante eclipses solares, muchas veces visibles sólo en lugares remotos e incluso peligrosos. En mas de una ocasión se reportó la ansiada detección de Vulcano, pero en ningún caso pudo confirmarse tal “descubrimiento”.

La infructuosa búsqueda de Vulcano prosiguó hasta principios del siglo veinte. Por mas que se revisaban y volvían a hacer los cálculos, no era posible encontrar al planeta en la posición predicha. Eventualmente llegó una explicación inesperada de la precesión del perihelio de Mercurio. En 1915 Albert Einstein terminó de erigir la teoría de la relatividad general, una de las teorías mas exitosas de la física contemporánea. Partiendo de la premisa de que la velocidad de la luz es independiente del estado de movimiento de quien la mide, Einstein mostró que las leyes de la mecánica y la gravitación establecidas por Newton en la segunda mitad del siglo XVII no son totalmente correctas. Aun cuando el modelo de Newton describe con alto grado de precisión la gran mayoría de los experimentos terrestres y de las observaciones astronómicas, como las de nuestro sistema solar, es sólo aproximadamente correcto. La relatividad general proporciona una descripción mas exacta de la naturaleza. En particular Einstein mostró que la precesión del perihelio de Mercurio quedaba plenamente explicada por la relatividad general. Cuando se comprobó otra predicción de esta teoría, la desviación de la trayectoria de la luz al pasar cerca del Sol, el modelo de Newton empezó a ceder su lugar al de Einstein. Después de medio siglo de búsqueda, Vulcano quedó enterrado por la nueva física.

El agujero de la capa de ozono en la Antártida en 1996

la capa de ozono en la Antártida

la capa de ozono en la Antártida

Desde que se descubrió, en 1985, que alrededor del Polo Sur de nuestro planeta existía un agujero en la capa de ozono de la atmósfera, la Agencia Espacial de Estados Unidos (NASA) monitorea permanentemente los niveles de ozono sobre la Antártida. Aunque se trata de un agujero en la atmósfera, es común referirse a él como el agujero (hoyo) de ozono de la Antártida por estar situado arriba de dicho continente.

El ozono es una molécula formada por tres átomos de oxígeno, muy fácil de producir pero a la vez muy frágil y fácil de destruir. En la atmósfera de la Tierra, el ozono absorbe la radiación ultravioleta del Sol, dañina para la salud. En realidad no es que exista un agujero de ozono como tal, lo que sucede es que la cantidad de ozono en el llamado agujero es mucho menor que la cantidad promedio en la atmósfera: el tamaño promedio del espesor de la capa de ozono en la atmósfera, es igual a 1.4 milímetros. En contraste, en el agujero de ozono de la Antártida es de apenas alcanza un milímetro. Esta destrucción del ozono se produce en parte por las condiciones metereológicas de la Antártida; el frio extremo de este continente favorece la destrucción de la molécula por gases generados por la actividad industrial humana, a miles de kilómetros de distancia. En particular compuestos del cloro han sido los principales responsables de la destrucción de la capa de ozono.

La NASA dio a conocer a finales de 1996 los resultados del monitoreo de la capa de ozon en el último año. Estos estudios no solo miden el espesor de la capa, sino también el área en la cual la cantidad de ozono es anormalmente baja. Asi nos enteramos que el tamaño promedio del agujero de ozono de la Antártida durante 1996 fue casi tan grande como lo fue el mayor promedio medido en 1993. No obstante, el año pasado, los valores de ozono medidos fueron un poco mayores que el menor valor de ozono medido en 1994, cuando se midieron las menores concentraciones de ozono registradas hasta la fecha. Se puede decir que 1996 fue un año relativamente bueno en cuanto al tamaño del agujero de la capa de ozono, ya que abarcó una área sobre el Polo Sur como la de México, Estados Unidos y Canada juntos, “solamente”.

Desde mediados de los años 1980’s, la región cubierta por la baja concentración de ozono empieza a crecer cada año a principios de Agosto. La región alcanza su mayor tamaño en Septiembre, mientras que los valores de ozono mas bajos se ven típicamente a finales de Septiembre y principios de Octubre. El agujero de ozono generalmente desaparece a principios de Diciembre. Siguiendo el mismo comportamiento, el año pasado el agujero se empezó a formar a mediados de Agosto, alcanzó el tamaño mas grande en Septiembre 7 y rapidamente empezó a disminuir de tamaño. Aunque el tamaño en el agujero llegó a ser bastante grande en un momento dada, incluso superando el mayor tamaño medido hasta la fecha, su tamaño promedio a lo largo del año fue pequeño. Lo anterior es similar a lo que sucede con las temperaturas medidas en una estación del año dada: en el invierno puede haber un día especialmente frío, pero no por ello es menor la temperatura promedio de todo este invierno.

Aun asi es importante conocer los valores mas extremos para poder compararlos con los medidos en otros años. Asi se sabe que en la región central del agujero de ozono a una altura entre 12 y 20 kilómetros de altitud, la baja concentración de ozono fue mas severa que en el pasado. De hecho a una altura de 16 kilómetros las medidas mostraron una destrucción total de la capa de ozono del 24 de Septiembre al 14 de Octubre. La cantidad total promedio de ozono no alcanzó el record mas bajo porque a una altitud mayor, a 24 kilómetros de altitud, hubo una concentración de ozono excepcionalmente alta, que compensó en el promedio los valores medidos mas abajo.

El tamaño y la profundidad del agujero de ozono, y los niveles de ozono totales dependen de las condiciones meteorológicas y de la cantidad de cloro presente en la atmósfera y puede estar afectada por la presencia de sulfatos aerosoles producidos no solo por la actividad humana sino también por erupciones volcánicas. A raiz del descubrimiento del agujero de la capa de ozono, se ha establecido un esfuerzo global para reducir las emisiones de compuestos de cloro. Sin embargo la atmósfera terrestre reacciona lentamente, y el gas producido hace mas de veinte apenas llega hoy a la Antártida. Se espera que estos grandes y profundos agujeros de ozono continuen formándose anualmente hasta que la cantidad de cloro estratosférico disminuya a los valores que había hace mas de medio siglo, antes de que se formara el agujero de ozono de la Antártida.

La astronomía en la sociedad contemporánea

La astronomía en la sociedad contemporánea

La astronomía en la sociedad contemporánea

Los astrónomos no se han conformado con descubrir fenómenos inesperados: los quieren entender y estudiar con el mayor detalle posible. Así, desde que Galileo miró por primera vez los cielos con un telescopio, estos han ido aumentando en tamaño, pasando por el telescopio de 1.22 metros de diámetro de William Herschel (1789), el reflector de 2.50 metros de Monte Wilson (1917), el de 5 metros en Monte Palomar (1948), hasta llegar al mayor telescopio de hoy en día, el telescopio Keck de 10 metros de diámetro, ubicado en Mauna Kea, Hawaii. Pero no solo los telescopios han crecido en tamaño; también los detectores han ido sofisticándose y la astronomía ya rara vez se hace con detectores fotográficos y mucho menos con el ojo humano. Actualmente se emplean dispositivos opto-electrónicos de alta sensitividad, al punto que un telescopio de 2 metros dotado de una cámara CCD (por sus siglas en inglés: Charged Coupled Device) es mas poderoso que el reflector de 5 metros de Monte Palomar.

La contínua búsqueda de explicaciones forza a los astronómos a trabajar constantemente con los objetos más débiles. La astronomía, en este afán, empuja la tecnología a sus límites. Proyectos tales como el telescopio de Monte Palomar, el telescopio espacial Hubble y cada uno de los proyectos que existen para construir telescopios de 8 metros de diámetro requieren de constantes desarrollos tecnológicos e invenciones. La astronomía es impulsora de nuevas creaciones en áreas como la óptica, la electrónica, la computación y la mecánica.

Los objetos astronómicos proporcionan condiciones únicas para el estudio de las leyes físicas. No solo es imposible estudiar las estrellas en nuestros laboratorios: el medio interestelar permite estudiar gases con densidades de unas cuantas partículas por metro cúbico y temperaturas de millones de grados; los campos magnéticos de las estrellas de neutrones son millones de veces mas intensos que los que podemos producir en la Tierra; las explosiones de supernova logran imprimir a partículas elementales energías cientos de millones de veces mayores que las alcanzables por los aceleradores terrestres. No es casualidad que las leyes de la gravitación hayan sido deducidas del estudio de los cuerpos celestes, ni que las pruebas mas rigurosas de la teoría de la relatividad sean de carácter astronómico. Incluso se ha considerado el uso de algunos pulsares como estándares de medición del tiempo, dada su impresionante exactitud.

La aportación mas tangible de la astronomía es de carácter social: el fascinar a millones personas de todas partes del mundo. Existen inumerables aficionados a la astronomía, muchos de ellos agrupados en asociaciones de astronómos aficionados. Millones de personas siguen con curiosidad e interés el paso de los descubrimientos que día a día se llevan a cabo en el campo de la investigación astronómica.

La astronomía en México

La astronomía en México se remonta, por lo menos, a los tiempos de los Olmecas quienes ya poseían un calendario de 365 días y manejaban un ciclo de 260 días que recurre en varias civilizaciones prehispánicas. Esta tradición fué extendida por las distintas culturas: por ejemplo, los Mayas quienes tenían un sofisticado calendario, realizaron cálculos sobre la predicción de eclipses y estudiaron el movimiento de Venus. El estudio de los astros perduró hasta el tiempo de los Aztecas, quienes tenían sus propias constelaciones. El alto número de observatorios astronómicos prehispánicos es evidencia de la importancia que nuestros antepasados dieron a los fenómenos astronómicos.

La astronomía mexicana contemporánea arranca con la inaguración del Observatorio Astrofísico Nacional en Tonantzintla, Puebla, en 1942. En este lugar, en la década de los cincuentas, Guillermo Haro -cuyos restos fueron transladados recientemente a la rotonda de los hombres ilustres- realizó sus mas importantes descubrimientos, como el de los objetos Herbig-Haro, las estrellas ráfaga y un tipo de galaxias azules. En la siguiente década, también desde Tonantzintla, Eugenio Mendoza descubrió un exceso de emisión infrarroja en las estrellas T Tauri, el primer indicio de que estos objetos son estrellas en formación. El crecimiento de la ciudad de Puebla forzó la creación del Observatorio Astronómico Nacional, inagurado en 1976 en la sierra de San Pedro Mártir, Baja California. Desde 1987 México tiene un segundo observatorio: el Observatorio Astrofísico “Guillermo Haro” del Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electrónica (INAOE), ubicado en la sierra Mariquita, cercana a Cananea, Sonora. A pesar de contar con menos de un centenar de astrónomos (en Estados Unidos hay mas de cinco mil astrónomos profesionales), México tiene, desde los tiempos de Guillermo Haro, un alto prestigio en este campo.

El cielo, nuestra ventana al Universo

El cielo

El cielo

Los cielos han sido y siguen siendo una inspiración para toda la humanidad. Practicada por miles de años por la mayoría de las culturas, la astronomía ha buscado incesantemente el origen del Universo y sus constituyentes como son las estrellas y las galaxias. En la actualidad los astrónomos investigan una gran variedad de aspectos del Universo como son (i) el tamaño, la distancia, el movimiento y la naturaleza de los cuerpos celestes, incluído el Universo en su totalidad, (ii) la razón de su existencia y de su forma de ser, de acuerdo a las leyes de la física, y (iii) su origen. Gracias a la observación de los astros, en los últimos cuatro siglos hemos adquirido vastos conocimientos acerca de cómo evoluciona el Universo, cómo se forman las estrellas, los planetas y cómo se pueden dar las condiciones para la formación de la vida. La astronomía nos ha enseñado que, hasta donde sabemos, somos la única forma de vida con la conciencia de su lugar en el Universo.

En el mundo entero miles de astrónomos aficionados observan regularmente el cielo nocturno, frecuentemente con telescopios hechos por ellos mismos. Un número aún mayor de personas disfrutan el leer acerca de la astronomía en libros y revistas. No obstante, para poder apreciar el cielo nocturno, oscuro y estrellado, debemos alejarnos de nuestras ciudades y viajar a sitios remotos donde la atmósfera sea clara y no haya fuentes artificiales de iluminación. Lo anterior no es mas que una ilustración de los problemas a los que se enfrenta hoy la astronomía: la contaminación del cielo debida a diversas actividades de la sociedad contemporánea. La contaminación lumínica, las emisiones de polvo, ondas de radio y vibraciones, entre otros factores interfieren con las observaciones astronómicas.

Una de las diferencias fundamentales entre la astronomía y las demás ciencias es que la astronomía no puede hacerse en el laboratorio, sino que debe avanzar mediante la detección y el análisis de las señales que se reciben de los objetos celestes. Por lo tanto la protección del cielo es vital para conservar abierta nuestra ventana al Universo.

Aportaciones históricas de la astronomía

La astronomía, la ciencia mas antigua, comienza con la primera mirada del hombre al cielo. Los movimientos del Sol y la Luna son las observaciones astronómicas mas elementales. Las civilizaciones antiguas pronto descubrieron el errar de los planetas entre las estrellas fijas. Los ciclos de estos movimientos originan las unidades de tiempo que seguimos utilizando en la actualidad: el año, el mes y el día. El concepto de semana se origina en la astronomía antigua, que conocía siete planetas (los planetas en la antigüedad incluian al Sol y a la Luna, además de Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) y dedicó un día a cada uno de ellos. Estos ciclos, junto con la existencia de las estaciones, fueron de gran importancia para el desarrollo de actividades como la agricultura.
Las estrellas fijas, esenciales para la orientación marítima, jugaron un papel fundamental en el desarrollo de la navegación, que a su vez determinó el curso de la historia. Sin este conocimiento dificilmente se habrían dado las exploraciones de los siglos XV y XVI, que incluyen la llegada de los europeos a nuestro continente. Sin embargo, tal vez las aportaciones mas importantes de la astronomía sean las que recaen directamente en el pensamiento humano:

La astronomía proporciona al hombre su marco de referencia, le indica su posición en el Universo al compararnos con las dimensiones de los planetas, el Sol, el sistema solar, las galaxias.
Nos damos cuenta de nuestro lugar en el Universo, que dentro de nuestra insignificancia, somos un elemento sofisticado, tal vez una rareza: somos vida conciente.
En su afán de comprender lo que observan, los astrónomos deben dominar, y frecuentemente deducir, las leyes de la física, la matemática y la química: la astronomía es una ciencia altamente interdisciplinaria con ramificaciones en una buena parte de la actividad intelectual humana. Es por demás sobresaliente que las leyes que valen en este lugar, y momento, del Universo sean válidas en todas partes.
La confianza en la ciencia que aportó el descubrimiento de la universalidad de las leyes físicas se originó en la astronomía, lo que contribuyó a cambiar la actitud de que los cielos eran lugares divinos e incomprensibles. Tal cambio de actitud propició a su vez la visión de que podemos influenciar el proceder de la naturaleza para nuestro beneficio. La revolución industrial nace a partir de esta visión.
Finalmente, durante la primera mitad de este siglo hemos llegado a la conclusión de que el Universo tuvo un principio, hace alrededor de 16 mil millones de años.