Gravedad

volumen 7, número 2

Investigación Inv Inve s ig st i ac aciió ión ón

CIENTIFICA CIENT CIENTI IFICA FICA

agosto–diciembre 2013,

issn 1870 – 8196

Construcción histórica del concepto

gravedad

JUAn M AnUEL R ivER A JUÁREZ | JEsÚs M ADRiGAL M ELCHOR Unidad Académica de Física Universidad Autónoma de Zacatecas

ELvA C ABRER A MURUATO Unidad Académica Preparatoria Universidad Autónoma de Zacatecas jmrivera@fisica.uaz.edu.mx

2

Investigación

CIENTIFICA

Resumen Si bien los efectos de la gravedad son fáciles de observar, hasta antes de Newton era complejo explicarlos; prueba de eso es que varias mentes brillantes se vieron superadas por tal fenómeno. En este trabajo se analizan las primeras conceptualizaciones de la idea de gravedad (Aristóteles, Copérnico, Gilbert, Kepler y Galileo); en ellas se transita de la idea de gravedad como una tendencia natural de los cuerpos pesados a caer hacia el centro de la Tierra, hasta la idea de una fuerza análoga a la fuerza magnética.

Palabras clave: gravedad, fuerza gravitatoria, historia de la ciencia.

Abstract Gravity is one of the four fundamental interactions of nature. While the effects of gravity are easily observed, even before Newton was explaining complex; proof of this is that several minds were overtaken by such phenomenon. In this work the first conceptualizations of the idea of gravity are analyzed (Aristotle, Copernicus, Gilbert, Kepler and Galileo); in them we pass from the idea of gravity as a natural tendency of heavy bodies to fall towards the center of the Earth, to the idea of a similar force to the magnetic force.

Keywords: gravity, gravitational force, history of science.

Introducción La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Una característica importante que la distingue de las demás es que afecta a todas las formas de materia y energía de la naturaleza; más aún, actúa con la misma intensidad sobre ellas, incluso la luz sien-

te su efecto: se ha observado que su trayectoria es desviada en los alrededores de un cuerpo muy masivo (lentes gravitacionales). Nada escapa a su alcance a pesar de ser la interacción fundamental más débil de la naturaleza. Hasta el momento la teoría que mejor explica el comportamiento de los cuerpos bajo la interacción gravitatoria es la Relatividad General de Einstein.

En sentido común se habla de la gravedad como la fuerza por la que dos objetos con masa se atraen, la cual nos mantiene con los pies en el suelo, hace que las mareas suban y bajen, crea corrientes de aire cruciales en las condiciones meteorológicas, mantiene a la Tierra compacta e íntegra, y hace que gire alrededor del Sol. En esta investigación se revisa la construcción histórica del concepto de gravedad desde las antiguas civilizaciones hasta las aportaciones de personajes como Copérnico, Kepler y Galileo, en los albores de la revolución científica copernicana.

Primeras conceptualizaciones de la idea de gravedad Aristóteles Este filósofo fue el primero en plantearse de manera formal la conceptualización de la gravedad.

El modelo aristotélico del universo, como primera explicación de lo que más tarde sería conocido como fuerza de gravedad, se mantuvo hasta finales de la Edad Media (Aristóteles, 1952). Para la física y la cosmología precopernicanas, la explicación aristotélica no planteó duda alguna; se pensaba que la gravedad era una tendencia natural de los cuerpos pesados de ser atraídos hacia el centro del mundo, el cual coincidía con el centro de la Tierra (Ferris, 1990). El movimiento natural de los cuerpos era la tendencia a regresar al lugar que les corresponde en el universo, según los elementos de que estaban compuestos. Así la caída de los cuerpos es el producto de la suma de los movimientos naturales de cada uno de los

volumen 7, número 2

elementos constitutivos. Por eso, según Aristóteles, los objetos pesados caen más rápido que los ligeros.

Para los aristotélicos la acción de una fuerza sobre un cuerpo debía darse por contacto directo; no encontraron la respuesta de cómo podía ejercerse a distancia, la experiencia de la época se limitaba a halar o empujar cuerpos. Por ello tuvieron dificultades al enfrentar la cuestión de que la fuerza estaba en contacto con un cuerpo que caía libremente; no podía ser la fuerza de gravedad (como hoy se conoce) ni la atracción del lugar natural, ya que eso implicaba acción a distancia. Aristóteles concluyó que lo que le había dado origen al cuerpo le dio también la tendencia a caer, la causa de la caída era intrínseca al cuerpo.

Asimismo, Aristóteles creía que en los cielos regían reglas distintas, y aseguró que los cuerpos celestes eran esferas hechas de una sustancia perfecta e inmutable. A pesar de que la física aristotélica era fácil de refutar en algunos puntos, permaneció dogmáticamente hasta avanzado el siglo xiii; era complicado elaborar una explicación mejor y más completa. Finalmente, el abandono de las posiciones aristotélicas se debió a su dificultad para explicar los movimientos no naturales, una vez que el objeto pierde el contacto con el motor inicial. Este último es un concepto filosófico descrito por Aristóteles como la causa primaria de todo el movimiento en el universo, lo que significa que no es movido por nada (Aristóteles, 1969).

Con Guillermo de Occam surgieron los primeros esbozos de una teoría alternativa, que luego fue desarrollada por Buridan con el nombre de Teoría del Ímpetus (Crombie, 1974; Kuhn, 1977).

En ella se planteaba lo siguiente: el motor inicial dota al objeto de un ímpetus o fuerza interna, que se va consumiendo hasta que el objeto se detiene; el ímpetus interactúa de forma extraña y compleja con otras fuerzas, de modo que, por ejemplo, si bien se reconoce que la gravedad es la misma para todos los cuerpos, no todos caen a la misma velocidad: en los más pesados la gravedad produce un ímpetus mayor.

agosto–diciembre 2013,

issn 1870 – 8196

3

Nicolas Copérnico Para él, el fenómeno de atracción era universal e innato a toda materia, por lo que se rompe entonces el geocentrismo del universo; se desplaza su centro de la Tierra al Sol. A pesar de todo, las ideas platónicas continuaban latentes en su obra.

En concordancia con esa visión mística del mundo, Copérnico expuso en De Revolutionibus la importancia del Sol en el universo: «En este bellísimo templo, ¿quién pondría esta lámpara en una posición diferente no mejor que aquélla desde la cual puede iluminarse todas las cosas al mismo tiempo? Pues no sin razón llaman algunos al Sol el faro del universo, otros su mente y otros su gobernante» (Holton, 1988).

Como puede notarse, la concepción aristotélica de gravedad no resultaba compatible con la teoría heliocéntrica copernicana. Al quitarle a la Tierra su posición central, perdía también su esencia como lugar natural al que tendían los cuerpos; en consecuencia, Copérnico debía modificar la teoría aristotélica. Un problema que quedaba fuera del alcance de los conocimientos del siglo xvi era el siguiente: si el Sol está en el centro del universo, ¿por qué no caen los objetos sobre él?

Lo único que el astrónomo podía argumentar al respecto era que los objetos «terrestres» tendían a caer sobre la Tierra, los objetos solares sobre el Sol, los objetos relacionados con Marte sobre Marte, y así según los casos; es decir, sustituyó la gravedad cósmica única por numerosas gravedades planetarias, supuso que todos los cuerpos celestes, y no sólo la Tierra, tenían poder gravitatorio (Mason, 1990). Imaginaba la gravedad como la tendencia de los componentes de la materia a congregarse en forma de una esfera, independientemente del lugar del universo en el que se encontrara, y situaba en su centro geométrico el núcleo de la gravedad. De esta manera expresa tales cuestiones: «Yo creo que la gravedad no es sino una cierta tendencia natural, ínsita en las partes por la divina providencia del hacedor del universo, para confe-

4

Investigación

CIENTIFICA

rirle la unidad e integridad, juntándose en forma de globo. Este modo de ser es también atribuible al Sol, la Luna y los demás fulgurantes entre los errantes, para que, por su eficacia, permanezcan en la redondez con la que se presentan, las cuales sin embargo, realizan sus circuitos de muchos modos diferentes» (Copérnico, 1982).

No obstante, para Copérnico el movimiento de los astros no necesitaba ninguna causa pues se trataba de movimientos naturales, razón por la cual nunca concibió que los astros se afectaran unos a otros (Mason, 1990; Hull, 1981).

William Gilbert Hay dos hombres en la historia de la ciencia cuyas vidas se consideran el parteaguas en la transición del misticismo a la ciencia, lo que se produjo del siglo xvi al xvii: William Gilbert en Inglaterra y Galileo Galilei en Italia. El primero fue un defensor del modelo copernicano del universo, en parte porque pensó que los planetas podían estar sujetos a recorrer sus órbitas por efectos del magnetismo (una idea que inf luyó en Kepler). Con el descubrimiento de los cuerpos magnéticos, que se atraen y se repelen sin necesidad de entrar en contacto, se presentaba un panorama diferente para la concepción de la gravedad como acción a distancia (Hull, 1981).

Gilbert, quién desarrolló un vasto cuerpo teórico acerca del magnetismo, llegó a pensar que la Tierra era un imán gigante. Como las piedras imantadas ejercen gran fuerza en los objetos de hierro a cierta distancia, eso le sugería que la gravedad sería la fuerza magnética del imán Tierra sobre los objetos próximos a ella y los astros del Sistema Solar. Así, el magnetismo terrestre llegaba hasta los cielos y lo mismo podría decirse del magnetismo del resto de los astros: la Tierra, el Sol y los astros serían imanes (Bernal, 1975).

El científico llamó orbis virtutis a la esfera de influencia que ejercen los astros alrededor de ellos, noción que constituyó un precedente clave en la noción de campo (Harré, 1986). De esa

manera explicó la gravedad terrestre y el porqué los astros que componen el Sistema Solar permanecen unidos a una especie de mecanismo magnético, por lo que todo se mantendría unido debido a la acción de fuerzas magnéticas (Mason, 1990). Además, creía que dichas fuerzas eran las responsables del movimiento de los planetas (Bernal, 1975).

Johannes Kepler Para Kepler, conocedor de los trabajos de Gilbert, el movimiento de los planetas estaba regido por el Sol y la fuerza de gravedad era de origen magnético (Cohen, 1989). A través de Patrizzi tuvo nociones de que las mareas eran causadas por la Luna, según la teoría de Telesio. A su vez, con influencia de su maestro Maestlin, se convenció de que las condiciones físicas de la Tierra y la Luna eran similares respecto a la atracción de los cuerpos.

En una carta a David Fabricius (10 de noviembre de 1602) Kepler describió la fuerza de atracción ejercida por la Tierra sobre una piedra como una línea o cadenas magnéticas, ello coincidía con la concepción de gravedad como emanación magnética expuesta por Gilbert. Suponía que el Sol emitía una especie de hilos magnéticos (anima motrix) que rotaban como los radios de una rueda con el giro del Sol, lo cual empujaba a los planetas en dirección tangente a su trayectoria a través de un efecto que denominaba vis motrix (Gentner, 1997). Este planteamiento de líneas de fuerza que giran por la rotación del Sol fue confirmado por Galileo poco más tarde (Solís, 1991).

Cabe destacar que en Astronomía Nova (1609) su teoría de la gravitación sólo la aplicó a la Tierra y a la Luna. Nunca pensó que el Sol y los planetas se atrajesen de forma análoga, de lo que se desprende que para él la gravedad era un fenómeno sublunar y no universal. En sus palabras: «Si la Tierra y la Luna no fueran mantenidas, cada una en su órbita, por sus fuerzas animales y otras equivalentes, la Tierra ascendería hacia la Luna

volumen 7, número 2

una cincuenta y cuatroava parte de la distancia entre ellas, y la Luna descendería hacia la Tierra unas cincuenta y tres partes» (Crombie, 1996).

Galileo Galilei Se caracterizó por defender las tesis heliocéntricas de Copérnico y, en particular, de Pierre Gassendi, el cual sin considerarse galileano inspira su obra en él. Galileo fue el primero en afrontar los problemas tras la postura de Copérnico. La novedad consistió en que además de teorizar decidió experimentar para comprobar la naturaleza de la gravedad. Para el astrónomo la gravedad no era una propiedad teórica de los cuerpos, sino una propiedad empírica; una cualidad de sentido común, ya que se desconoce cuál es su esencia.

Galileo buscó la esencia del movimiento de caída en el sentido de encontrar la ley matemática según la que ocurría en la naturaleza ese movimiento, pero tuvo que dejar de lado las posibles explicaciones que dieran razón de la «causa» por la cual se producían tales características. Llegó a considerar el planteamiento de Gilbert sobre la gravedad como la pista y el camino más seguro para el esclarecimiento; sin embargo, nunca adoptó sus teorías ni intentó utilizarlas en su análisis.

Otra aportación es que creía equivalente el comportamiento respecto a la Tierra de un cuerpo o proyectil en caída libre, y el movimiento de un objeto que se deja caer desde el mástil de un barco (Solís, 1991). De igual manera halló semejanzas entre el movimiento de un péndulo y el de una bola que cae por un plano inclinado (Khun, 1975). No sólo reconoció su ignorancia acerca de cuál era la causa o principio de movimiento de los cuerpos celestes, sino que expresó también que la gravedad no era más que un nombre, un término familiar que ocultaba la naturaleza y la esencia de un fenómeno tan manifiesto. Por esa razón no pudo usar sus hipótesis y convicciones para clarificar las causas que controlan la caída de los cuerpos.

agosto–diciembre 2013,

issn 1870 – 8196

5

Pierre Gassendi Ante la pregunta ¿qué es la gravedad?, Gassendi no se limitó a responder que era un nombre que designaba algo cuya naturaleza se ignoraba.

Al tener como referentes las obras de Kepler y Gilbert se sintió en condiciones de determinar su naturaleza: se trataba de una atracción entre dos cuerpos masivos, es decir, una fuerza como las demás, análoga a la fuerza magnética. En la Correspondence du R.P. Marin Mersenne sobre el problema de la atracción en la época de Gassendi menciona lo siguiente:

«Que la atracción es una fuerza como las otras quiere decir que es una fuerza externa. Que finalmente se reduce al contacto, a la presión, al empuje; para Gassendi, lo mismo que para Descartes, no hay fuerzas materiales que actúen de otro modo que no sea por contacto. Ninguna fuerza material puede actuar a distancia; ningún cuerpo puede actuar allí donde no está, y ninguno puede crear movimiento: sólo puede transmitirlo. Gassendi lo dice muy claramente: todo movimiento se hace mediante un impulso y ‹cuando digo impulso no quiere de ningún modo hacer una excepción para la atracción; pues atraer no es otra cosa que empujar hacia así con un instrumento curvo›. De este modo la gravedad pierde su misterio, o su privilegio ontológico» (Koyré, 1980).

En efecto, el científico concluyó que la gravedad no era sólo un fenómeno exterior y aleatorio del cuerpo físico, también podía eliminarse con relativa facilidad al colocarlo lo suficientemente lejos o en el vacío. Si los cuerpos caían y la trayectoria de los proyectiles se curvaba, era porque estaban sometidos a influencias externas. Todo movimiento debía ser rectilíneo y se conservaba eternamente.

6

Investigación

CIENTIFICA

Conclusión A lo largo de la historia fue cambiando la manera de explicar el movimiento de los cuerpos, junto con la forma de interpretar fenómenos de la naturaleza como la gravedad. Las tesis de Aristóteles determinaron durante siglos el modo de percibir el mundo, a tal punto que hasta mediados del siglo xvi resultaba inaceptable pensar que la Tierra se movía y que el Sol no giraba alrededor de ella. La teoría heliocéntrica de Copérnico refutó la concepción vigente hasta ese momento y estableció las bases para que Galileo desarrollara sus ideas. Lo anterior posibilitó que se incorporara el concepto de gravedad al explicar cómo se movían los cuerpos independientemente de su naturaleza.

Bibliografía Aristóteles (1952). Physics. Great Books of the Western World.

Chicago: Enciclopedia Britannica.

Bernal, J.D. (1975). La proyección del hombre. Historia de la física clásica. Madrid: Siglo xxi.

Cohen, I.B. (1989). Revolución en la ciencia. Barcelona: Gedisa.

Copérnico, N. (1982). Sobre las revoluciones de los orbes celestes. Madrid: Editorial Nacional.

Crombie, A. (1974). Historia de la ciencia de San Agustín a Galileo. Madrid: Alianza Universidad.

Ferris, T. (1990). La aventura del universo. Barcelona: Crítica.

Gentner, D. et al. (1997). Analogical reasoning and conceptual change: A case study of Johannes Kepler.

Journal of the Learning Science, 6(1), 3 – 40.

Harré, R. (1986). Grandes experimentos científicos. Barcelona: Labor.

Holton, G. y Brush, S.G. (1988). Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Barcelona: Reverté.

Hull, L.W. (1981). Historia y filosofía de la ciencia. Barcelona: Ariel.

Koyre, A. (1980). Estudios galileanos. España: Siglo xxi.

Kuhn, T. (1975). La estructura de las revoluciones científicas.

Madrid: Fondo de Cultura Económica.

Kuhn, T. (1977). La revolución copernicana. Barcelona: Ariel.

Mason, S.F. (1990). Historia de las ciencias. La revolución científica de los siglos XVI y XVII. Madrid: Alianza.

Solís, C. (1991). Historia de la ciencia y la técnica. La evolución de la física en el siglo XVII. Madrid: Akal.