33. Espacio, tiempo y cosmologías

El estudio del espacio y el tiempo ha sido uno de los pilares centrales en la historia universal de la ciencia. Desde las primeras cosmogonías mitológicas hasta los modelos más avanzados de la cosmología contemporánea, la humanidad ha buscado comprender la estructura del universo, la naturaleza del tiempo y las leyes que rigen el movimiento celeste. A continuación se desarrolla de forma extensa este recorrido histórico, ilustrado con ejemplos, datos, fechas y sucesos esenciales.

1. Antigüedad y cosmología geocéntrica

En las civilizaciones antiguas, el cielo y la Tierra se concibieron dentro de marcos fundamentales de armonía y obediencia a ciclos naturales:

• Mesopotamia (alrededor de 2000 a.C.): los astrónomos babilonios registraron eclipses y definieron ciclos de Venus.
• Egipto (c. 1500 a.C.): alineamientos de templos y pirámides con Orion y Sirio reflejaban una cosmología animista.
• Grecia clásica (siglos V–III a.C.): filósofos como Parménides y Platón discutieron el ser y el devenir, mientras que Aristóteles (384–322 a.C.) estableció el sistema geocéntrico con un universo finito y esférico dividido en mundo sublunar (cambiante) y supralunar (perfecto).

Este modelo se consolidó en la obra del astrónomo Claudio Ptolomeo (c. 100–170 d.C.), que en su tratado Almagesto presentó un complejo sistema de epiciclos para explicar el movimiento de los planetas.

2. El Renacimiento: heliocentrismo y mecánica celestial

A finales del siglo XVI y comienzos del XVII surgió un cambio radical. Nicolás Copérnico (1473–1543) propuso en De revolutionibus orbium coelestium (1543) un modelo heliocéntrico en el que el Sol ocupaba el centro, desplazando la Tierra y corrigiendo excesos geométricos del sistema ptolomaico.

Los hitos de este período incluyen:

1. 1609: Johannes Kepler (1571–1630) publica Astronomia Nova, donde establece las primeras dos leyes del movimiento planetario: órbitas elípticas y áreas iguales en tiempos iguales.
2. 1610: Galileo Galilei (1564–1642) utiliza el telescopio para observar montañas en la Luna, fases de Venus y lunas de Júpiter, en su obra Sidereus Nuncius.
3. 1621: Kepler formula la tercera ley (relación entre período orbital y distancia media al Sol).

Estos avances sentaron las bases de la mecánica celeste y abrieron paso al enfoque matemático y experimental que triunfará en la ciencia moderna.

3. Siglo XVII: mecánica newtoniana y espacio absoluto

Isaac Newton (1642–1727) unificó la gravitación y el movimiento bajo leyes universales. En su Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) presentó:

• Primera ley o inercia
• Segunda ley: F = m·a
• Tercera ley: acción y reacción
• Ley de gravitación universal: F = G (m1·m2)/r²

Newton introdujo la noción de espacio y tiempo absolutos: un escenario inmutable donde ocurren los acontecimientos. Para él, el espacio era un contenedor rígido e infinito y el tiempo fluía uniformemente, independientemente de cualquier observador.

4. Siglo XIX y la relatividad temprana

Durante el siglo XIX surgieron desafíos a la idea de un éter luminífero y al espacio absoluto:

1. 1851: Experimento de Armand Fizeau midiendo la velocidad de la luz en el agua.
2. 1887: Michelson–Morley demuestra la imposibilidad de detectar movimiento absoluto respecto al éter.
3. 1895–1900: Hendrik Lorentz y George FitzGerald proponen contracción de longitudes y transformaciones para explicar los resultados del éter.

Estos trabajos prepararon el terreno para la teoría de la relatividad, cambiando radicalmente los conceptos de espacio y tiempo.

5. Siglo XX: relatividad y cosmología moderna

Albert Einstein (1879–1955) revolucionó nuestra comprensión del universo con dos teorías:

5.1 Relatividad especial (1905)

• Postulado de la constancia de la velocidad de la luz en cualquier sistema inercial.
• Principio de relatividad: las leyes de la física son iguales en todos los sistemas inerciales.
• Efectos noveles: dilatación del tiempo, contracción de longitudes, equivalencia masa–energía (E = mc²).

5.2 Relatividad general (1915)

• Gravedad interpretada como curvatura del espacio-tiempo por la distribución de masa y energía.
• Ecuaciones de campo: G_{μν} Λg_{μν} = (8πG/c⁴) T_{μν}, donde Λ es la constante cosmológica original de Einstein.
• Predicciones confirmadas: curvatura de la luz en 1919 (expedición de Eddington), precesión del perihelio de Mercurio, lentes gravitacionales.

Estos avances dieron lugar a una nueva cosmología matemática capaz de describir la evolución global del universo.

6. Hacia una cosmología observacional

La cosmología pasó a basarse en datos empíricos durante la primera mitad del siglo XX:

1. 1922: Alexander Friedmann encuentra soluciones dinámicas de las ecuaciones de Einstein que permiten universos en expansión.
2. 1927: Georges Lemaître propone el “átomo primigenio” o teoría del Big Bang, basándose en la expansión cósmica.
3. 1929: Edwin Hubble demuestra la relación reci proca (ley de Hubble) entre velocidad de recesión de galaxias y distancia, con constantes H₀ ≈ 500 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ (ajustadas luego a ≈ 70 km·s⁻¹·Mpc⁻¹).

Estos resultados establecieron la expansión del universo como un hecho incontrovertible y confirmaron la validez de la relatividad general a escalas cósmicas.

7. Descubrimiento de la radiación cósmica de fondo

En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson detectaron, casi por accidente, un fondo de microondas isotrópico que correspondía a un refrigerio térmico de 2.7 K proveniente de todo el cielo. Este hallazgo proporcionó la prueba decisiva a favor del modelo del Big Bang frente al modelo del universo estacionario.

Posteriormente, misiones como COBE (1989–1993), WMAP (2001–2010) y Planck (2009–2013) mapearon con precisión las anisotropías de la radiación cósmica de fondo, permitiendo:

• Determinar la edad del universo: 13.8 ± 0.02 mil millones de años.
• Cuantificar la composición: ≈5% materia ordinaria, 27% materia oscura, 68% energía oscura.
• Medir la constante de Hubble con gran exactitud y caracterizar la curva de expansión.

8. Energía oscura, inflación y universos múltiples

Dos conceptos han marcado las últimas décadas:

8.1 Inflación cósmica

Propuesta en 1980 por Alan Guth para resolver problemas del horizonte y la planitud. Postula un breve período de expansión exponencial inmediata después del Big Bang, amplificando fluctuaciones cuánticas que se convierten en semillas de estructuras galácticas.

8.2 Energía oscura

En 1998, observaciones de supernovas tipo Ia indicaron una aceleración en la expansión del universo. Esta aceleración se atribuye a una forma de energía oscura responsable de aproximadamente el 68% de la densidad total de energía cósmica, cuya naturaleza aún es desconocida (constante cosmológica Λ o campos dinámicos tipo quintessencia).

9. Retos y perspectivas futuras

Hoy en día, la cosmología se enfrenta a desafíos como:

• Comprender la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura.
• Unificar la gravedad cuántica con la relatividad general (teorías de cuerdas, gravedad cuántica de bucles).
• Explorar la física de los horizontes de sucesos y los agujeros negros primordiales.
• Investigar la posibilidad de universos múltiples (multiverso) y su implicación en la antropía cósmica.

La próxima generación de observatorios, como el telescopio espacial James Webb (lanzado en diciembre de 2021) y proyectos de ondas gravitacionales (LIGO, VIRGO, KAGRA, LISA), prometen ampliar nuestro conocimiento sobre el espacio-tiempo y revelar nuevas facetas de la historia del cosmos.

10. Tabla cronológica de avances clave

Desde los modelos metafísicos de las primeras civilizaciones hasta las ecuaciones tensoriales de Einstein y las observaciones de última generación, el estudio del espacio, el tiempo y las cosmologías revela la profunda interacción entre teoría y experimento en la evolución de la ciencia. Cada avance no sólo ha redefinido nuestra visión del universo, sino que ha planteado nuevas preguntas, impulsando así el progreso infinitamente hacia lo desconocido.

Libros recomendados sobre Espacio, tiempo y cosmologías

• De revolutionibus orbium coelestium

  Autor: Nicolás Copérnico (1543). Fuente primaria: obra fundacional de la cosmología moderna.
  Wikipedia

• Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo

  Autor: Galileo Galilei (1632). Fuente primaria: comparación de los sistemas geocéntrico y heliocéntrico.
  Wikipedia

• Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica

  Autor: Isaac Newton (1687). Fuente primaria: formulación de las leyes del movimiento y la gravitación universal.
  Wikipedia

• Cosmología y controversia: desarrollo histórico de dos teorías sobre el universo

  Autor: Helge Kragh (1996 trad. esp. 2012). Estudio riguroso de la pugna entre cosmologías estáticas y dinámicas.

• Historia del tiempo

  Autor: Stephen Hawking (1988 trad. esp. 1990). Breve pero completo recorrido por la evolución de las ideas sobre el espacio y el tiempo.

• La gran explosión. Crónica de una idea

  Autor: Simon Singh (2005). Relato accesible sobre el origen y desarrollo del modelo del Big Bang.

• Cosmología: introducción a la teoría del universo

  Autor: Peter Coles (2004 trad. esp. 2007). Manual moderno que enlaza historia, teoría y observaciones cosmológicas.

• The Cambridge History of Science. Volume 5: The Modern Physical and Mathematical Sciences

  Editor: Peter Galison amp Bruce Hevly (2003). Capítulos dedicados a la evolución de la cosmología desde el siglo XIX hasta la actualidad.

• Historia de la astronomía

  Autor: David W. Hughes (2004). Panorama completo desde las primeras cosmologías antiguas hasta la astrofísica moderna.