Primera edición, 2004
Primera edición electrónica, 2010
La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
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ISBN 978-607-16-0323-4 (ePub)
ISBN 978-968-16-7207-2 (impreso)
Hecho en México - Made in Mexico
La Ciencia para Todos
Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.
A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.
Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar Océano, a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.
La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.
Comité de Selección
Dr. Antonio Alonso
Dr. Francisco Bolívar Zapata
Dr. Javier Bracho
Dr. Juan Luis Cifuentes
Dra. Rosalinda Contreras
Dr. Jorge Flores Valdés
Dr. Juan Ramón de la Fuente
Dr. Leopoldo García-Colín Scherer
Dr. Adolfo Guzmán Arenas
Dr. Gonzalo Halffter
Dr. Jaime Martuscelli
Dra. Isaura Meza
Dr. José Luis Morán
Dr. Héctor Nava Jaimes
Dr. Manuel Peimbert
Dr. Ruy Pérez Tamayo
Dr. Julio Rubio Oca
Dr. José Sarukhán
Dr. Guillermo Soberón
Dr. Elías Trabulse
Coordinadora
María del Carmen Farías R.
Quiero agradecer a Garrelt Mellema, Ivanio Puerari y Alan Watson por proporcionarme sus trabajos de tesis para extraer los ejemplos que aparecen en este libro y por responder a todas mis preguntas.
A Luis Aguilar, quien fue una gran ayuda a la hora de buscar información sobre simulaciones de N cuerpos.
Y a Leonardo Sánchez, Pamela Rodríguez y Ana María Sánchez que, como físico, estudiante y escritora, respectivamente, leyeron el manuscrito y me hicieron comentarios que me permitieron mejorarlo.
Toda filosofía —le dije— no está fundamentada más que sobre dos cosas, que tenemos el espíritu curioso y los ojos deficientes. Pues si tuvierais los ojos mejores de lo que los tenéis, veríais claramente si las estrellas son otros soles que iluminan otros tantos mundos, o si no lo son. Y si, por otra parte, fuereis menos curiosa, no os preocuparíais de saberlo, lo que viene a ser lo mismo.
Bernard le Bouvier de Fontenelle
Conversaciones sobre la pluralidad de los mundos, 1686
Además de que todas las ciencias requieren de nosotros el ser un poco miopes y un poco curiosos, para ser astrónomo hay que ser paciente pero ingenioso. A diferencia de muchas otras áreas del quehacer científico, en la astronomía no hay experimentos, pues nuestros objetos de estudio están demasiado lejos, son excesivamente grandes y además la mayoría de los objetos que estudiamos se muestran como fueron hace mucho tiempo. Al astrónomo no le queda más remedio que esperar pacientemente a que llegue hasta él un poco de la luz que emitieron los diversos cuerpos celestes que le interesa conocer. Sin embargo, estos estudiosos no se quedan sentados esperando, sino que siempre están inventando y mejorando una variedad de herramientas que les permitan captar más de estos fotones. A lo largo de la historia ha habido todo tipo de ejemplos de las “prótesis” que nos hemos construido para aumentar nuestras capacidades y poder ver objetos cada vez más lejanos. Por ejemplo: Tycho Brahe hizo construir enormes instrumentos como cuadrantes y astrolabios que le permitieron mejorar por un factor de 10 las mediciones de la posición de los astros. Galileo se hizo un “anteojo” con un tubo y dos lentes y lo apuntó hacia el cielo. De esta manera, abrió una enorme e importante ventana por la cual nos podemos asomar a ver el Universo. Hoy en día tenemos telescopios que detectan todo tipo de radiación además de la luz visible, como radio, infrarrojo o ultravioleta. Algunos están colocados en la Tierra, otros flotan más allá de la atmósfera y algunos, incluso, están viajando a través del Sistema Solar para mandarnos información.
Aun con una buena colección de fotones, el trabajo no ha terminado, pues entonces viene el momento de interpretar de dónde vinieron hasta nosotros y cómo debieron ser los cuerpos, estrellas o galaxias que los emitieron para que los percibamos de esta manera. Para esta labor también hemos ido inventando “prótesis” que amplían las capacidades de nuestros cerebros y nos permiten entender más. Kepler estudió durante largos años una cantidad apabullante de datos en busca de alguna relación y finalmente llegó a la conclusión de que las órbitas de los planetas tienen forma de elipses. Newton observó los cuerpos sin los prejuicios de sus antepasados y encontró que todos, los que tenemos a la mano y los que están en el espacio, se rigen por una misma fuerza, la gravedad, para la cual formuló una ley. En la actualidad la astronomía se llama astrofísica porque todo este trabajo de interpretación se hace utilizando las herramientas que proporcionan diversas áreas de la física como la mecánica, la termodinámica y la mecánica cuántica. Mediante la física, los astrónomos plantean modelos, representaciones teóricas del objeto que quieren comprender mejor. De estos modelos se obtiene información que complementa la que viene de las observaciones. El panorama actual que se tiene del Universo se obtuvo con ayuda de estos dos tipos de prótesis, las materiales como los telescopios y las intelectuales como la ley de la gravedad.
Este libro trata de una de las prótesis más recientemente utilizadas en el estudio de la astronomía: las computadoras. Prácticamente desde su aparición, estas máquinas se han usado para apoyar y acelerar el trabajo de los astrónomos. Hoy no existe observatorio que funcione sin ellas ni trabajo teórico que no se apoye en ellas. Hay un área en particular que ha cambiado mucho desde la aparición de las computadoras: el trabajo con modelos. Ahora es posible resolver con una computadora las ecuaciones que describen el comportamiento físico de ciertos objetos. Este proceso, que se llama hacer simulaciones numéricas, ha ampliado el panorama del astrónomo.
Para ir entrando en materia, en el capítulo I veremos algunos ejemplos de las diversas prótesis que se han utilizado en la astronomía hasta ahora. El capítulo II trata sobre las computadoras, su origen, sus usos en la ciencia en general y en la astronomía en particular. De esta manera estaremos listos para ver tres ejemplos de simulaciones numéricas en astronomía.
Los fenómenos que estudia la astronomía pueden llegar a ser muy complejos. Sin embargo, prácticamente todos se pueden describir como una combinación de tres tipos de procesos. En gran escala, la fuerza que domina el comportamiento de los cuerpos celestes es la gravedad. En una escala intermedia, las interacciones entre las nubes de gas son las más importantes y esto se estudia con dinámica de gases. Por último, a muy pequeña escala, lo más importante son los fotones, los átomos y las moléculas y lo que logramos ver de ellos. Estos fenómenos se estudian mediante la transferencia de radiación. En este libro veremos ejemplos de simulaciones numéricas de cada uno de estos tres procesos por separado. El capítulo III aborda las interacciones entre las galaxias, que cuentan entre los cuerpos más grandes que existen, donde la fuerza predominante es la gravedad. En el capítulo IV utilizaremos la dinámica de gases para estudiar las nebulosas planetarias, nubes de gas que rodean a las estrellas medianas cuando mueren. Por último, en el capítulo V estudiaremos lo que le pasa a la luz que emite una estrella recién nacida cuando intenta atravesar una nube de polvo.
Cada uno de los tres capítulos de ejemplos está dividido en tres secciones. En la primera repasamos lo que conocemos del objeto gracias a las observaciones, y en la segunda lo que sabemos por la teoría. He separado observación y teoría en un esfuerzo por hacer más clara la explicación de la manera en que se obtiene la información en cada caso. Sin embargo, es importante que se tenga presente el hecho de que estas dos (observación y teoría) generalmente están mezcladas en el trabajo de un astrónomo. En estos tres capítulos la tercera sección está dedicada a una pregunta particular sobre el objeto que estamos estudiando y veremos la manera en que esta pregunta se puede responder mediante el planteamiento de un modelo y su solución por computadora.
Las simulaciones numéricas compensan algunas de las limitaciones del trabajo del astrónomo. En cierta forma podemos decir que con ellas se pueden hacer “experimentos” astronómicos. Nos permiten ver el resultado del encuentro entre dos galaxias sin tener que esperar millones de años. Ayudan a entender mejor la muerte de las estrellas a través de una mejor comprensión de las formas de las nubes que las rodean. Extienden nuestro entendimiento más allá de los límites de nuestra capacidad de atrapar fotones, pues con ellas podemos simular el comportamiento de una estrella bebé detrás del velo que la rodea a la hora de su nacimiento. Esto es lo que veremos a continuación.