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"P.L.U.R."

Universo y naturaleza: Leyes y teorías

Para explicar el funcionamiento de la naturaleza y el universo los científicos se valen de dos cosas: leyes y teorías.
Una teoría científica suele intentar sintetizar un cuerpo de evidencias u observaciones de un fenómeno en particular en un grupo de conocimiento organizado y sintético. Suele tratarse de una afirmación evaluable de cómo opera la naturaleza. No necesariamente reduciremos una teoría a una sola frase o ecuación pero sí representa algo fundamental sobre el funcionamiento de la naturaleza.

Tanto las leyes como las teorías dependen de elementos básicos del método científico, como la generación de una hipótesis, la evaluación experimental de la premisa, la recopilación de datos empíricos y la creación de una conclusión. Otros científicos deben ser capaces de replicar los resultados de nuestra experiencia en condiciones similares si la misma se destina a convertirse en la base de una teoría o ley ampliamente aceptada. Hay teorías, que por lo que han aportado a la humanidad y al avance del conocimiento científico, se han convertido en las más importantes teorías y leyes científicas de la historia.

A continuación unas de las invenciones cientificas más trascentes en la historia de la especie las cuales, necesario es tener una comprensión general de tales, ya que son la base de todo lo que vemos y conocemos.


Teoría del big bang


Si eres fan de la serie, lo menos que puedes hacer es entender a qué se refiere su título. Basada en la investigación de Edwin Hubble, Georges Lemaitre y Albert Einstein entre otras, esta postula que el universo comenzó hace 14 mil millones de años con una expansión masiva. El universo estaba confinado a un solo punto, abarcando toda la materia. El movimiento continúa hasta ahora, es decir, que el Universo está en constante expansión.

Esta teoría recibió apoyo generalizado entre la comunidad científica, cuando Amo Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación cósmica en microondas en 1965. Con el uso de radio telescopios, los dos astrónomos detectaron ruido cósmico o estática que no se disipaba con el paso del tiempo. Su colaboración con el investigador Robert Dicke, comprobaron la hipótesis de que el big bang original dejó un nivel bajo de radiación detectable a lo largo de todo el universo.


Ley de expansión cósmica


Durante los años 30, el astrónomo Edwin Hubble realizó investigación innovadora en su ramo. Para empezar, probó que existen más galaxias que la Vía Láctea y descubrió que estas se alejan de la nuestra, en un movimiento llamado recesión.

Para cuantificar la velocidad de este movimiento galáctico, Hubble propuso su Ley de Expansión Cósmica, una ecuación que dice: velocidad= H0 × distancia. La velocidad representa la velocidad recesiva de la galaxia, H0 la constante Hubble o el parámetro que indica el rango al cual se expande el universo y distancia, que es la distancia de la galaxia desde la cual se hace la comparación.

La constante de Hubble se ha calculado con diferentes valores a lo largo del tiempo pero el valor aceptado actualmente es de 70 kilómetros por segundo por megapársec (esta última es una unidad de distancia en el espacio intergaláctico). La ley es un método conciso para medir la velocidad de la galaxia en relación con la nuestra y estableció que el universo se conforma de muchas galaxias, cuyo movimiento proviene del big bang.


Leyes sobre el movimiento planetario


La batalla por la órbita de los planetas fue una de siglos, especialmente sobre si giraban alrededor del sol o no. En el siglo 16, Copérnico presentó su controversial concepto de un sistema heliocéntrico, en el que los planetas giraban alrededor de la estrella, no de la Tierra. Sin embargo, no fue hasta tiempo de Johannes Kepler que utilizó el trabajo de Tyco Brahe y otros, para establecer la propuesta de Copérnico con fundamentos científicos.

Las tres leyes de Kepler de movimiento planetario, de principios del siglo 17, describen cómo los planetas orbitan al sol. La primera ley, a veces llamada ley de órbitas, establece que los planetas giran alrededor del sol elípticamente. La segunda, la ley de áreas, establece que una línea que conecta al planeta con el sol y cubre un área igual en periodos de tiempo iguales. Es decir, que si mides el área creada por una línea que dibujaras desde la Tierra hasta el sol y llevaras la cuenta del movimiento del planeta durante 30 días, el área sería la misma sin importar la posición de este en la órbita cuando empezaste el conteo.

La última, la ley de periodos, permite establecer una clara relación entre el periodo orbital de una planeta y sus distancia del sol. Gracias a esta ley, sabemos la relativa distancia de un planeta a la estrella como en el caso de Venus, que tiene un periodo de órbita mucho menor que un planeta distante como Neptuno.


Ley universal de gravedad


Hace más de 300 años, Sir Isaac Newton propuso una idea revolucionaria, que ahora todos damos por hecho: que cualquier par de objetos, sin importar su masa, ejercen una fuerza gravitacional entre sí. Esta ley representada por una ecuación:

F = G × [(m1m2)/r²]

F es la fuerza gravitacional entre los dos objetos, medidos en Newtons. M1 y m2  son las masas de los dos objetos y la r es la distancia entre ellos. G es la constante gravitacional, un número calculado en 6.672 x 10-11 N m² kg-2

Esta ley sirve para calcular el tirón gravitacional entre cualquier par de objetos, que es particularmente útil para poner un satélite en órbita o medir el curso de la luna.


Leyes de termodinámica


El novelista y físico inglés, C.P. Snow dijo que los no científicos que no conocían la segunda ley de termodinámica, eran como los científicos que nunca habían leído a Shakespeare. Su famosa frase enfatiza la importancia de la termodinámica y la necesidad de los no científicos (como la mayoría de los lectores de esta nota) de aprender al respecto.

La termodinámica es el estudio de cómo funciona la energía dentro de un sistema, ya sea una máquina o el centro de la Tierra. Puede reducirse en varias leyes básicas, resumidas de la siguiente manera por Snow:

- No puedes ganar.
- No puedes empatar.
- No puedes renunciar al juego.

¿Estas no parecen ecuaciones, cierto? Veamos a qué se refería Snow. La primera quiere decir que como la materia y energía se conservan, no puedes obtener una, sin deshacerte de un poco de la otra. También significa que para que un máquina produzca trabajo, debes brindarle calor, aunque a menos que fuera un sistema perfectamente cerrado, un poco de calor se pierde inevitablemente al mundo externo, lo cual nos lleva a la segunda regla.

No puedes empatar, implica que por la entropía en constante incremento, no puedes regresar al mismo estado energético. La energía concentrada en un lugar siempre fluirá a lugares con concentraciones más bajas.

Finalmente, "no puedes renunciar" se refiere al cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible, medida en cero Kelvin (-273.15 grados Celsuis). Cuando un sistema alcanza el cero absoluto, las moléculas detienen todo movimiento, lo que significa que no hay energía cinética y la entropía alcanza su nivel más bajo posible. Pero en el mundo real, incluso en lo más hondo del espacio, alcanzar el cero absoluto es imposible, sólo puedes acercarte mucho.


Leyes de movimiento


Uno de los mayores genios, de nuevo, Sir Isaac Newton fue el creador de tres leyes de movimiento que forman un componente esencial de la física moderna.

La primera de ellas establece que el objeto en movimiento se mantiene así a menos que intervenga una fuerza externa. Por ejemplo, una pelota que rueda por el piso es alterada por la fuerza externa que constituye la fricción entre ella y el piso o el perro que la empuja en otra dirección.

La segunda establece la conexión entre la masa de objeto (m) y su aceleración en esta ecuación: F = m × a. F representa la fuerza, medida en Newtons, que también es un vector, es decir que tiene un componente direccional.  Por su aceleración, la mencionada pelota tiene un vector particular, una dirección por la que viaja y que se representa al calcular su fuerza.

La tercera ley es la más familiar para la mayoría. Por cada acción hay una reacción igual y opuesta. Eso es que, por cada fuerza aplicada a un objeto o superficie, el objeto empuja de regreso con la misma fuerza.


Principio de flotabilidad


Después de descubrirlo, se dice que el académico de la antigua Grecia Arquímedes, supuestamente gritó ¡eureka! y corrió desnudo por la ciudad de Siracusa. Así de importante es el principio. La leyenda cuenta que Arquímedes se topó con el hallazgo cuando se dio cuenta de que el agua se levantaba mientras él entraba en la tina.

De acuerdo al principio, la fuerza que actúa, la flotabilidad implica que un objeto sumergido total o parcialmente equivale se iguala al peso del líquido que el objeto reemplaza. Este tipo de principio tiene un inmenso rango de aplicaciones y es esencial en los cálculos de densidad, así como en el diseño de submarinos y otros buques por ejemplo.


Teoría de la selección natural


Después de dar revisión a los conceptos fundamentales del inicio del universo y la física en la vida diaria, le llegó la hora a las de la naturaleza que tiene un efecto directo en nuestra existencia. La mayoría de los científicos coinciden en que toda la vida en la Tierra tiene ancestros en común pero para llegar a la variedad de especies existentes, algunos debieron evolucionar.

La diferenciación ocurrió durante la evolución, por descendencia y modificación. Las poblaciones de organismos desarrollaron distintos rasgos por medio de mecanismos como la mutación. Estos fueron más benéficos para la supervivencia, como el caso de los animales que modifican el color de su piel como camuflaje.  

La teoría fue expuesta por Charles Darwin en el siglo XIX: la evolución a través de selección natural, es la responsable de la inmensa diversidad de formas de vida en la Tierra. Polémica teoría a lo largo de la historia pero hasta nuestros dias, es la explicación mayor aceptada en el ámbito cientifico.


Teoría de la relatividad


La teoría de Albert Einstein se mantiene como un descubrimiento esencial e importante porque alteró permanentemente cómo vemos el universo. Einstein dijo que el espacio y el tiempo no son absolutos y que la gravedad no es simplemente una fuerza aplicada a un objeto o masa. Más bien, que la gravedad asociada con cualquier masa, forma un curva en el mismo espacio y tiempo a su alrededor.

Imagina que estás viajando por la Tierra en línea recta en dirección al este, empezando en algún punto del hemisferio norte. Después de un rato, si alguien ubicara tu localización en un mapa, estarías al este y sur de tu posición original, porque la Tierra es curva. Para viajar directamente al este, tendrías que tomar en cuenta la forma de la Tierra y colocarte en ángulo un poco hacia el norte.

Lo mismo pasa con el espacio. Por ejemplo, los tripulantes de una nave que orbita la Tierra, podría parecer que viaja en línea recta por el espacio. En realidad, el espacio-tiempo alrededor de ellos es curvo por la gravedad terrestre, lo que provoca que se muevan hacia adelante y que parezca que le dan vueltas al planeta.

Dicha teoría tuvo tremendas implicaciones para el futuro de la astrofísica y cosmología.


Principio de incertidumbre


En 1927, la comprensión de que las leyes universales eran en cierto contexto, flexibles, llevó a un innovador descubrimiento del científico alemán Werner Heisenberg. Al postular su principio de la incertidumbre o también conocido como principio de intermediación, Heisenberg se dio cuenta que era imposible saber simultáneamente y con un alto nivel de precisión, dos propiedades de una partícula. En otras palabras, puedes saber la posición de un electrón con un alto grado de seguridad pero no su impulso y viceversa.

Un descubrimiento posterior de Niels Bohr, ayudó a explicar el principio del alemán. Bohr encontró que un electrón tiene las cualidades de una partícula y una onda, un concepto conocido como dualidad onda-partícula, piedra angular de la física cuántica. Así que cuando medimos la posición de un electrón, lo estamos tratando como una partícula en un punto específico del espacio, con una longitud de onda incierta. Cuando medimos el impulso, lo tratamos como una onda, lo que significa que podemos saber la amplitud de la longitud de onda pero no su localización.

Seguro ya lo sabías todo ¿verdad?

Redacción: Ana C. Escobar
Fuente: Science.HowStuffWorks.com
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3 Comentarios Universo y naturaleza: Leyes y teorías
Excelente para entender algo de todo
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