La explicación del Universo: de Ptolomeo a Copérnico

Cuando hablamos del Universo como concepto científico nos estamos refiriendo a la totalidad de lo que existe. Eso incluye a toda la materia y toda la energía que existe pero también, y eso es algo más difícil de comprender, todo el tiempo y todo el espacio. Lo que significa, en otras palabras, que no tiene sentido hablar de lo que pudo ocurrir "antes" del origen del Universo, o de lo que está "fuera" de él. Tales términos están, simplemente, fuera de cualquier marco de referencia que podamos considerar. 

Representación artística de las constelaciones

Evidentemente, el Universo ha llamado la atención del hombre desde la antigüedad. Primero, como uno de los referentes míticos para explicar todo aquello que no comprendía: la búsqueda de patrones aparentes en la distribución de las estrellas llevó a observar "constelaciones", que se consideraron reflejo de las divinidades, hasta el punto de atribuírseles poder para influir en la vida de los hombres. 

El nacimiento de la Vía Láctea, Rubens (Museo del Prado)

Asimismo, también se trató de dar una explicación mitológica del origen de lo que se podía observar en el Universo. Es bien conocido, por ejemplo, el mito griego acerca del origen de la Vía Láctea: Zeus, en una de sus múltiples aventuras extramatrimoniales, había sido padre de Heracles (Hércules). El niño era su favorito, y el dios intentó desde el principio que fuera inmortal, para lo que debía ser amamantado por Hera, su esposa. El niño fue puesto en el regazo de la diosa y empezó a alimentarse de ella, pero ésta se dio cuenta y lo apartó violentamente. El reguero de leche de Hera vertido dio origen a la Vía Láctea. Una explicación fantasiosa, pero quizá no mucho más que la que considera que la Vía Láctea marca un camino a seguir con algún propósito...

Más allá de la visión metafísica del Universo, que aún tiene valedores entre quienes piensan que las constelaciones zodiacales podrían influir de algún modo en su vida, la estructura del Universo llamó pronto la atención de los científicos, tanto preocupados por su afán de conocimiento como para utilizar el Universo con fines prácticos. Entre ellos es de destacar la utilidad que han tenido tradicionalmente los mapas astronómicos para la navegación. Contextualicemos la situación: los viajes por mar necesitan un sistema de referencia mucho más difícil de conseguir que los viajes por tierra. Mientras en estos últimos la ruta puede establecerse con la ayuda de los accidentes geográficos en el mar, si la navegación se hace lejos de la costa, tales referentes no existen. La observación de las estrellas desde distintos puntos de vista permitió comprobar que éstas podían utilizarse en sustitución de esos referentes, de modo que no es de extrañar que los navegantes y los astrónomos utilizaran los mismos instrumentos, unos para determinar su posición y los otros para fijar la posición de los astros.

Astrolabio, utilizado tanto en Astronomía como en navegación

 De hecho, para que los mapas celestes fueran de utilidan en los viajes por mar, se hizo fundamental que los astrónomos obtuvieran datos precisos de la posición de los astros en diferentes momentos y desde diferentes lugares. La observación llevó a la explicación, y así se llegó a la formulación de los primeros modelos cosmológicos, como el de Ptolomeo.

El modelo ptolemaico del Universo

Claudio Ptolomeo

Claudio Ptolomeo vivió en el Egipto helenizado de unos dos siglos antes de nuestra era, y trabajó en una de sus instituciones científicas más importantes, el Observatorio. Su trabajo científico, como era característico en la época, abarcó varias áreas, como la Óptica o la Música, aunque su mayor influencia histórica vino de la mano de su actividad en Geografía (utilizó un sistema de longitud y latitud para determinar posiciones sobre un mapa) y, sobre todo, en Astronomía. (También resulta muy influyente en Astrología, puesto que fue el creador de los horóscopos). Su obra más importante es el Almagesto, elaborado a partir de un gran número de observaciones astronómicas con el propósito de establecer un modelo numérico que permitiera predecir la posición futura de los planetas.

Ptolomeo adopta el modelo del Universo que ya había sido descrito por Platón y Aristóteles, más filosófico que científico. Según dicho modelo, el Universo está constituido por la Tierra, inmóvil y situada en su centro, el Sol y la Luna y cinco "estrellas errantes" que giraban a su alrededor, y un cielo de "estrellas fijas", además de otros cuerpos que aparecían ocasionalmente (por ejemplo los cometas). Las estrellas errantes corresponden, evidentemente, a los planetas. De acuerdo con los ideales de perfección que debían ser reflejados por el Universo, los movimientos de todos estos cuerpos eran perfectamente circulares.

Sin embargo, esta exigencia filosófica de perfección chocaba con los datos procedentes de la observación, especialmente en lo relativo al movimiento de los planetas. En efecto, tal y como se refleja en la siguiente animación, los planetas parecían describir movimientos retrógrados (es decir, hacia adelante y hacia atrás) en su viaje en torno a la Tierra.

Para observar bien el modelo ptolemaico selecciona uno de los planetas en el cuadro superior derecho, y luego elige "start animation". Fíjate en la banda inferior ("Zodiacal strip") y podrás observar el movimiento aparente del planeta respecto a las constelaciones zodiacales a lo largo del año.

Ptolomeo resolvió el problema de conjugar la exigencia de perfección con los movimientos retrógrados proponiendo los epiciclos. Se trata de movimientos circulares que el planeta realizaría en torno a un punto, al mismo tiempo que se mueve alrededor de la Tierra. La composición de ambos movimientos, que puedes observar en la parte principal de la animación anterior, daría lugar al movimiento planetario realmente observado.

Los datos observacionales de Ptolomeo se ajustaban muy bien a su modelo, y los principios en los que se basaba también eran congruentes con el paradigma de la época; primero, con la exigencia platónica de perfección, y luego con la visión cristiana del mundo, que  por una parte compartía la idea de que la perfección divina debía reflejarse en la perfección de la creación, por otra defendía la posición central del hombre en el Universo, como consecuencia de ser "el centro de la creación" y por otra seguía literalmente pasajes de la Biblia en los que se describía el movimiento del Sol, mientras la Tierra permanecía inmóvil.

Josué deteniendo el curso del Sol, cuadro de Esteban March (Museo de Bellas Artes, Valencia)

Este conjunto de factores, empezando por la validez de las predicciones y, por tanto, por la utilidad del modelo, explica que se mantuviera como único aceptado durante 1700 años, a pesar de propuestas bastante tempranas para sustituirlo por un modelo heliocéntrico.

El modelo copernicano

Copérnico

Nicolás Copérnico fue un científico polaco que vivió a caballo de los siglos XV y XVI. Su aportación más conocida es su obra "De revolutionibus orbium coelestium", en la que proponía sustituir el modelo cosmológico ptolemaico por uno diferente, en el que el Sol ocupara el centro del Sistema Solar, con la Tierra y los planetas girando a su alrededor en órbitas circulares y la Luna girando en torno a la Tierra.

A pesar de que el modelo ptolemaico se ajustaba bastante bien a las condiciones tanto de validez de los datos como de contexto científico, resultaba bastante claro que los epiciclos eran artificiosos. Copérnico proponía eliminarlos, para lo cual era necesario que los planetas, incluyendo la Tierra, giraran alrededor del Sol. Los puntos fundamentales del modelo propuesto por Copérnico eran los siguientes: 

1. Los movimientos celestes son uniformes, eternos y circulares, o compuestos de varios círculos.
2. El centro del Universo se encuentra cerca del Sol
3. Alrededor del Sol giran, en orden de distancia, Mercurio, Venus, la Tierra y la Luna, Marte, Júpiter y Saturno.
4. Las estrellas son objetos lejanos que permanecen fijos.
5. La Tierra tiene tres movimientos: la rotación diaria, la revolución anual y la inclinación anual de su eje.
6. Los planetas no tienen movimiento retrógrado. Éste es aparente, y es explicado por el movimiento de la Tierra.
7. La distancia de la Tierra al Sol es pequeña, en comparación con la distancia a las estrellas.

El modo en que el cambio de referencia propuesto por Copérnico explica el movimiento retrógrado puede apreciarse observando la siguiente animación. De nuevo, el movimiento aparente de los planetas se observa en la banda inferior.

Copérnico no llegó a publicar su obra en vida, sino que fue uno de sus discípulos, Rheticus, quien lo hizo por él. Probablemente en su decisión influyó tanto el miedo a la reacción de la Iglesia como a la que pudieran tener los científicos de la época.

Harmonia Macrocosmica, Andreas Cellarius

De hecho, la reacción científica a las ideas de Copérnico fue bastante seria y profunda. El heliocentrismo ya había sido propuesto en la antigüedad clásica (Aristarco de Samos), y rechazado como resultado de un debate científico en el que se incluían pruebas mecánicas que, por aquel entonces, se interpretaban erróneamente. El mismo debate, más complejo aún, se repitió en el siglo XVI y se extendió hasta bien entrado el XVII. En él intervinieron científicos de gran valía en defensa de uno y otro modelo. Incluso se propusieron modelos que trataban de compatibilizar el ptolemaico y el copernicano, como el modelo de Tycho Brahe, que proponía que todos los cuerpos celestes excepto la Tierra giraban en torno al Sol, mientras que éste lo hacía en torno a la Tierra, que ocupaba el centro del Universo.

Modelo cosmológico de Tycho Brahe

El mayor problema de la polémica entre geocentrismo y heliocentrismo, sin embargo, se debió a la influencia de factores externos a los científicos. Entre esos factores el más destacable fue la intervención de la Iglesia, o mejor dicho de las diferentes Iglesias que, por entonces, se habían separado y enfrentado como consecuencia de la Reforma.

Víctima de esa confrontación entre ciencia y religión fue Giordano Bruno, que por su parte había mezclado ambos ámbitos en su actividad. Bruno no solo asumió las tesis heliocéntricas, sino que las aprovechó para expresar sus ideas, tremendamente revolucionarias por entonces, de que el Universo era infinito, y de que en él podían existir infinidad de mundos similares a la Tierra y, por lo tanto, otros hombres que los habitaran. Estas teorías eran, evidentemente, contrarias a la idea de la creación única del hombre por parte de Dios que refleja la Biblia, y como consecuencia de ellas fue condenado a la hoguera por la Inquisición en el año 1600.

Nueve años más tarde Galileo hizo el descubrimiento que, finalmente, llevaría al abandono definitivo del sistema ptolemaico: utilizó el telescopio, que hasta entonces se había empleado solo como catalejo, para estudiar los cuerpos celestes, observando la presencia de cráteres en la Luna y, sobre todo, de satélites que giraban en torno a Júpiter.
Galileo contribuyó también a rechazar las objeciones mecánicas al movimiento de la Tierra, posiblemente el mayor obstáculo científico para aceptar la teoría heliocéntrica. Una de las más importantes era el debate acerca de la caída libre.

En 1616 Galileo fue adverido por la Inquisición, y en 1633 se le prohibió divulgar sus ideas, que fueron consideradas heréticas, y enseñar y se le recluyó en prisión atenuada.

Aún pasó bastante tiempo hasta que el modelo heliocéntrico fuera aceptado por la mayoría de los científicos, gracias a la contribución de Kepler a dicha teoría. Kepler trabajó durante mucho tiempo con Tycho Brahe, aunque la relación entre ellos no fue demasiado cooperativa. En realidad, Kepler solo pudo acceder a los datos recopilados por Tycho, con mucha diferencia los mejores de aquella época, después de que él muriera. Con esos datos en la mano, descubrió que no era posible describir el movimiento de los planetas mediante círculos, de modo que trató de ajustarlo a otro tipo de curvas, basándose en su creencia, de origen religioso, de que el Universo debía manifestar la perfección divina, a través de las matemáticas. Finalmente descubrió que la curva que mejor se ajusta a esas trayectorias es la elipse, y acabó por proponer las leyes que llevan su nombre, y que describen la mecánica del Sistema Solar:

• Los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, estando éste situado en uno de los focos de la elipse.

• Las áreas barridas por los radios de los planetas, son proporcionales al tiempo empleado por estos en recorrer el perímetro de dichas áreas.

• El cuadrado de los períodos de la orbita de los planetas es proporcional al cubo de la distancia promedio al Sol.

El paso del modelo ptolemaico al copernicano suele ponerse a menudo como ejemplo de cambio de paradigma científico, y ha sido utilizado por muchos filósofos de la ciencia para apoyar sus teorías epistemológicas. Sin embargo, lo que de verdad parece demostrar es un proceso histórico de enfrentamiento de las ideas científicas tanto entre sí como con el contexto filosófico y cultural de la época, en el que jugaron papeles importantes tanto los argumentos científicos como otros muchos. Desde que Copérnico terminó su tratado, sin atreverse a publicarlo, en 1530, hasta que Kepler publicó sus leyes en 1619 pasaron muchos más años de los que parecen necesarios para demostrar una hipótesis científica. En el proceso, como ha ocurrido a menudo con otras grandes teorías del conocimiento humano, tomaron parte activa la sociedad y las ideas de la época.