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Las Raíces de la Ciencia

La Astronomía Clásica

Historia de la Ciencia, Ivan Vila - [email protected]

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Bibliografía, referencias Básica:

– Physics, the human adventure : from Copernicus to Einstein and beyond; Gerald Holton and Stephen G. Brush. -- 3rd ed.

– Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas por Gerald Holton ; revisada y ampliada por Stephen G. Brush.

Complementaria:– The History and Practice of Ancient Astronomy; J. Evans, Oxford

U. Press– Ptolomeo, El astrónomo de los círculos; Carlos Dorce, Nivola

ediciones. En la web:

– Historia de la matemática (U. of St. Andrews)http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Indexes/Greeks.html

– Más de 400 textos electrónicos de los clásicos http://classics.mit.edu/index.html

– Animaciones http://faculty.fullerton.edu/cmcconnell/Planets.html#3

http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Indexes/Greeks.html









http://classics.mit.edu/index.html


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Contenido Los antecedentes El invención renacentista del “Mundo Clásico” Las primeros referencias astronómicas. La astronomía, una rama aplicada de la matemáticas: El

cuestión de Platón La respuesta: Eudoxo y el sistema del mundo de

Aristóteles. Las propuestas heliocéntricas: Heráclito y Aristarco Ajustes finos geocéntricos: Apolonio e Hiparco La cima de la astronomía helena: Ptolomeo Las técnicas de observación y de cálculo

– La dimensión de la tierra y la distancia sol-tierra Los primeros elementos de las teorías científicas

– Las fuentes históricas del clasicismo


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La Arqueoastronomía El primer problema de la astronomía: la medida

del tiempo, definición del calendario. ¿Cuándo sembrar y recolectar la cosecha?

Stonehenge 2500 y 2000 adC.

Disco celeste de Nebra 1600 adC.


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La “Antigüedad” una invención reciente El Renacimiento (s. XV) se arrogó el rol de heredero

del saber clásico griego (indirectamente babilónico) tras el era oscura del Medievo.

En realidad, el saber clásico se transfiere al mundo árabe (s. IX-XII d. de N.E.)

Edad de oro de la ciencia árabe: Fundación de la Casa de la Sabiduría (Bagdad s. IX), Al-Jwarizmi, (inventor del Algebra )

Siglo XI el centro científico se translada a la España del Islám.

Los conocimientos astronómicos llegan a Europa a traves de la escuela de traductores de Toledo, traducidos del Arabe (Gerardo de Carmona)


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Primeras referencias astronómicas

Babilonia, primeros registros astronómicos literarios, poema épico Enuma Elish (1700 adC), Reinado de Amurabi.

En Grecia, los primeras referencias en la Iliada y en la Odisea de Homero (700 AC) y en “Los trabajos y los días” de Hesiodo. (650 adC)

La literatura recoge la Astronomía popular: la definición del calendario agrícola y la astrología.


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Las primeras observaciones astronómicas En Babilonia: registros sistematizados (21 años)

de las efemérides de Venus aprox. s.XVII adC.

Tablilla de Venus de Ammisaduqa

siglo VII adC, copia de un texto babilonio unos 1000 años anterior

No se da el equivalente griego hasta 1300 años después


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El nacimiento de la “Astronomía Pura” La astronomía babilónica se centra en astronomía lunar,

establecimiento del calendario y la astrología. Sus observaciones sí son usadas por los griegos.

El con el auge del la filosofía griega en el s. V a.C. Se plantean las cuestiones de la “astronomía pura”:– La naturaleza de los objetos celestes, su origen. – La forma y dimensión de la tierra.– Las distancias entre sol, tierra, luna, planetas, …– La descripción y predicción del movimiento de las estrellas

fijas, de los planetas y del sol. La realización de este “programa científico” conllevará el

desarrollo de nuevas técnicas matemáticas (trigonometría) y técnicas de observación y computo.

Al conseguirlo, se dará el primer paso, aún renqueante, hacia el establecimiento de la física (la filosofía de la naturaleza) como una ciencia empírica.


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El desafío de Platón (427-347 a.C.) Las estrellas eternas, divinas, inalterables se mueven “se han

de mover” alrededor de la tierra en un movimiento “uniforme y ordenado” (mov. Circular Uniforme)

En realidad es un enunciado cuasiexperimental

La inmesa mayoría de las estrellas siguen trayectorias

circulares uniformes.

PERO…


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El desafío de Platón (2) … existen unas pocas estrellas errantes

(planetas) que no siguen “aparentemente” trayectorias circulares uniformes. Como en realidad, sólo el movimiento uniforme circular es posible, ¿Cómo se puede obtener estos movimientos errantes como composición de movimientos circulares uniformes y así “salvar las apariencias”?


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Desafío de Platón (3) Al formular el problema

implícitamente se asume:– La teoría física sólo tiene

sentido si es consistente con la teoría metafísica “evidente por si misma”

– La teoría física se puede expresar en lenguaje geométrico (pitagóricos)

Platón nunca se intentó seriamente solucionar el problema


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El sistema aristotélico – la solución de Eudoxo Postulados arístotélicos.

1. La materia es una mezcla de: tierra, agua, aire y fuego (sublunares); el eter para objetos celestiales.

2. Cada elemento tiene una tendencia a alcanzar un lugar natural (principio dinámico) (sublunar linea recta, eter circulos uniformes).

3. El movimiento de objeto viene marcado por la tendencia del elemento más abundante.

– La astronomía no puede ir en contra de estos principios: La tierra es una esfera finita inmóvil en el centro del cosmos que también es finito. Cada planeta y a la estrellas fijas van guiados por esferas homocéntricas entre ellas que describen movientos circulares (sistema de Eudoxo con ¡decenas de esferas! )


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El sistema aristotélico – la solución de Eudoxo


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El modelo de Eudoxo de Cnidos Explica el movimiento retrógrado Adoptado por Aristóteles. Extremadamente complejo > 33 esferas. No explica los cambios de brillo de los planetas.


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Una solución geocéntrica mejorada El centro de gravedad científico se desplaza a

de Atenas a Alejandría. Apolonio (ca. 262 a.C. ca. 190 a.C. ) introduce

el concepto de epiciclos y deferentes para explicar los movimientos retrógrados, Hiparco (190 BC – ca. 120 BC)lleva a cabo ajustes de observación astronómicas basadas en este nuevo concepto.

Ptlomeo ( 83 d.C– 161 d.C. ) lleva a cabo la descripción completa del cosmos conocido dando nombre a estos modelos.


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El modelo planetario de Ptolomeo los planetas se mueven en trayectorias circulares -hepiciclos- cuyos

centros describen un movimiento circular uniforme -deferente- entorno a la tierra

Animación Museo de Historia de la Ciencia de Florencia


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El modelo planetario de Ptolomeo La velocidad no uniforme de los planetas exigía

refinamiento aún mayores: la excentricidad y el equante

Excentricidad Equante


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El éxito del modelo de Ptolomeo Ptolomeo haciendo uso de su modelo y de observaciones

propias y Babilónicas consiguió un modelo del universo que perduró casi 1400 años.

El ajuste fino de los parámetros de sistema era enorme, del orden de 70 revoluciones eran necesarias. No explicaba los tamaños aparentes de la luna.

Su prolongado éxito se basó en:– Proporcionar ajuste “preciso” de las observaciones

disponibles.– Predicciones suficientemente buenas de las

efemérides.– Explica la ausencia de paralaje de las estrellas.– Sigue la doctrina física dominante– Se basa en el “sentido común”


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Los modelos Heliocéntricos Propuesto por Aristarco de Samos (310 a.C. - ca.

230 a.C.)


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Crítica de los Modelos Heliocéntricos

Completamente en contra de la física de sistema aristotélico:– Movilidad de la tierra e inmovilidad de los

cuerpos celestiales en contra de sus principios dinámicos.

– Carencia de cálculos detallados.– Ausencia de Paralaje de las estrellas. (critica

científica)


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Técnicas Experimentales Durante este periodo todas las medidas eran

realizadas a “ojo” Gnomon (Usado por Eratóstenes 276 a.C. - 194

a.C. para medir el tamaño de la tierra)

250.000 estadios entre Sienay Alejandría


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Técnicas Experimentales (2) La esfera Armillar (como calculadora analógica)


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Técnicas Experimentales La dioptra

El astrolabio, cuadrante


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Discusión Validez de los sistemas físicos

aristotélicos y sus diferentes modelos cosmológicos.– ¿Puede considerarse ciencia

empírica el sistema Aristotélico?– ¿Es el mundo físico geometría?

La Astronomía Renovada

Astronomía Árabe y Renacentista


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Bibliografía adicional La Revolución Copernicana, T. S. Kuhn (cap. 4 y 5) Mecánica de la Astronomía Renovada, T. Brahe,

Ed. Fascímil Ed. San Millán A hombros de Gigantes, S. Hawking. Incluye

extractos de “Sobre las revoluciones de los orbes celestes” de Copérnico; “El diálogo de las dos nuevas ciencias” de Galilei; y “Armonías del Mundo” de Kepler.

Cosmos, C. Sagan cap.3


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Índice La astronomía árabe heredera del mundo clásico Críticas físicas al modelo Ptolemaico. Sistema Copernicano: antecedentes, opositores. Copérnico frente a Ptolomeo Tycho Brahe y el observatorio de la isla de HVEN Las leyes de Kepler El telescopio y la Nueva física de Galileo La unión entre astronomía y mecánica: Newton Discusión: el fin del sistema Aristotélico


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La Astronomía Árabe en el medioevo Durante el medioevo la frontera del conocimiento matemático-

astronómico emigra del mundo helenístico al mundo árabe siguiendo la expansión del Islam.

En el Siglo VIII comienza una época de esplendor cultural centrada en Bagdad, las grandes obras filosóficas griegas son traducidas al árabe.

S. IX se crea la Casa de la Sabiduría y el observatorio astronómico de Bagdad; lleva a cabo la traducción sistemática de las obras clásicas griegas.

Las matemáticas experimentan un gran desarrollo: trigronometría esférica, álgebra.

Con respecto a la astronomía, el modelo ptolemaico empezará siendo el referente pero dos de sus elementos esenciales (el ecuante y la excentricidad) son muy criticados por su falta de verosimilitud física.

Los escolásticos europeos acceden a los clásicos griegos y las nuevas obras árabes en gran parte a través de la Escuela de Traductores de Toledo.


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Críticas al sistema ptolemaico A principios del XV el sistema ptolemaico seguía siendo el

modelo estándar del cosmos. No se disponía de ninguna nueva evidencia experimental

contraria a su validez. Los astrónomos árabes no pueden aceptar los movimientos

circulares entorno a puntos no materiales, consideran especialmente aberrante la introducción del ecuante. (Al-Tusi, Bakú, Maimonides)

Para formular un sistema físico inteligible es necesario eliminar los ecuantes (esta fue la motivación seguida por Copérnico en sus obras )

Un nuevo modelo con la eliminación final de los ecuantes y excentricidades la consigue en Damasco Ibn Al-Shatir en 1350, su solución es idéntica a la propuesta por Copérnico 150 más tarde.


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Antecedentes Heliocéntricos Aristarco de Samos (310 aC - 230 aC) (Heliocentrismo) Nicolas de Oresme (1323 – 1382) (Heliocentrismo) Ibn Al-Shatir (1304 – 1375) (geocentrismo, idéntico método geométrico)


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El modelo Heliocentrico Copernicano Copérnico (1473 — 1543) desarrolla por primera

vez un modelo heliocéntrico “completo” con el mayor rigor geométrico. Su sistema es publicado en el mismo año de su muerte.

Se muestra extremadamente precavido y dubitativo en la publicación de su propuesta consciente de la oposición que va a levantar.

La difusión de su obra “Sobre las revoluciones de los cuerpos celestes” es modificada y un prólogo es añadido sin su consentimiento.

El prólogo trata de presentar la propuesta como un mero “cambio de sistema de referencia” sin necesariamente tener una base de realidad física.


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Ventajas del modelo copernicano Predice las efemérides con 2 grados de precisión. Movimiento retrógrado explicado de manera “natural” Distancias entre los planetas al sol fácilmente medibles

(en UA) Los periodos orbitales son también medibles Explica de manera natural las diferencias entre los

planetas interiores (venus, mercurio) y el resto. Elimina la necesidad de los ecuantes. Preserva la dinámica de las esferas de Aristóteles No requiere los cambios de tamaño aparente de la luna

(como en el caso de Ptolomeo)


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Objeciones al modelo de Copérnico No se da una reacción inmediata Incluido en el índice en 1616 hasta ¡1835! La Biblia y Aristóteles establecen la inmovilidad de

la tierra. Ausencia de paralaje de las estrellas del

firmamento (también posible con Ptolomeo). Desde un perspectiva moderna:

– NO establece nuevas predicciones.– NO es más preciso que el modelo Ptolomaico.– NO es un sistema más natural desde la

perspectiva de su física contemporánea (exige el movimiento de la pesada tierra y elimina el movimiento de la etérea esfera celestial)


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El Astrónomo de la Isla de Hven: Tycho Brahe Tycho Brahe (1546-1601) inclinación

por la astronomía muy temprana. Con 17 años de edad se muestra

decepcionado por la falta de precisión en la determinación de conjunción de Saturno y Júpiter.

Es consciente de la poca calidad de la observaciones astronómicas hasta ese momento.

Se embarca en el proyecto de renovar la astronomía empezando por la mejora de los métodos y los instrumentos observacionales.


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Tycho Brahe: La supernova de 1572 En un golpe de suerte (que ocurre una par de

veces cada 1000 años) Tycho Brahe observa durante 16 meses la aparición de una supernova en la constelación de Casiopea.

Se convence de su pertenencia a la esfera de las esferas fijas, el cielo Aristotélico deja de ser inmutable.


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Tycho Brahe: El observatorio de HVen Con el apoyo del rey de Dinamarca (%5 de su presupuesto),

comienza la construcción en 1576 de observatorio para la astronomía renovada en la isla de HVen

Se rodea de un nutrido grupo de colaboradores y estudiantes, realizando observaciones coordinadas.

Diseño y construcción de los instrumentos astronómicos más precisos jamás construidos para la observación con el ojo desnudo.

Medida sistemática de más de 777 estrellas, los cinco planetas, el sol y la luna durante más de 20 años.

Mejora un factor 10 las precisión de las observaciones (1’ de arco)


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Tycho Brahe: El observatorio de HVen Cuadrantes, reglas paralácticas,

esferas armillares. No fueron superados hasta que se

incorporó la óptica al diseño de los instrumentos.

Destacaba el gran cuadrante mural y el gran globo.


38

La solución de compromiso Tycho Brahe propone un sistema heliocéntrico y

geoestacionario. Rápidamente aceptado por la iglesia


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La precisión geométrica: Kepler Kepler (1571 - 1630) resultó ser el complemento de

Brahe: la precisión Teórica. Muy influenciado por su mística religiosa, y la filosofía

pitagórica, cree en la naturaleza geométrica/divina del mundo. Publica su modelo del universo en del “El Misterio Cósmico”(1596)

Como “todo teórico” ante la imposibilidad de ajustar las observaciones a su modelo decide que las observaciones son malas y que necesita datos mejores; decide contactar al mejor astrónomo instrumental de todos los tiempos Tycho Brahe.


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Un trabajo de precisión Unos meses antes de su muerte Kepler se convierte en

ayudante de Tycho Brahe. Consigue entonces, no sin dificultad, acceder a las

observaciones de Brahe. Tras años de trabajos y fracasos como “buen teórico”

abandona su primer modelo de los sólidos perfectos anidados.

Acaba el problema usando un modelo copernicano con órbitas circulares. No consigue un ajuste satisfactorio, sólo aproximado

Finalmente tras años de trabajos descubre que los datos se ajustan perfectamente a órbitas heliocéntricas elípticas (1ra ley de Kepler)

La astronomía abandona al fin el sistema Aristotélico


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Las leyes de Kepler: Transcurren más de 20 años entre la publicación

de la última de las leyes y el acceso a los datos de Brahe.

T2 ∝ r3

1a Ley 2 Ley

3a Ley


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Una nueva física para Kepler Galileo(1564 – 1642 ), que mantiene una correspondencia

fluida con Kepler, abre otro frente en el sistema aristotélico con sus estudios mecánicos.

El arma casi definitiva para la derrota de Aristóteles viene nuevamente de la mano de la técnica: el telescopio

Su carácter más decido lo lleva a un enfrentamiento directo con la jerarquía eclesial. Culminado con su famoso juicio (no se declaró nulo hasta ¡1992!)


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Las observaciones de Galileo La imperfección de la luna: Nuevas estrellas en la via láctea Las lunas de Júpiter. Las fases de venus. Sus observaciones cuentan ipso

facto con el apoyo de Kepler


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El final del sistema Aristotélico Fuera ya del campo de la Astronomía, Galileo con

sus estudios cinemáticos y definidamente Newton con su dinámica, que conecta el movimiento de los orbes celestes con los objetos terrenales, apuntillan el modelo del mundo Aristotélico.


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Discusión ¿es la teoría copernicana la primera de la teorías

modernas o la última de la antigüedad? ¿Cuál es la trascendencia de la propuesta de

Copérnico? ¿Cuál es origen (primum mobile) en las teorías de

Kepler y Copérnico?

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