Leccion primera

Las Raíces de la Ciencia
La Astronomía Clásica

Historia de la Ciencia, Ivan Vila - vila@ifca.unican.es
2
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

3
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 160
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.

9
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…

10
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

12
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! )

13
El sistema aristotélico – la solución de Eudoxo

14
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.

15
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.

16
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

17
El modelo planetario de Ptolomeo
 La velocidad no uniforme de los planetas exigía
refinamiento aún mayores: la excentricidad y el
equante
Excentricidad Equante

18
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”

19
Los modelos Heliocéntricos
 Propuesto por Aristarco de Samos (310 a.C. - ca.
230 a.C.)

20
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)

21
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 Siena
y Alejandría

22
Técnicas Experimentales (2)
 La esfera Armillar (como calculadora analógica)

23
Técnicas Experimentales
 La dioptra
 El astrolabio, cuadrante

24
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

26
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.

30
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.

32
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)

33
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)

34
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.

35
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.

36
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)

37
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

39
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.

40
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

41
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

42
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!)

43
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

44
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.

45
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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