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Ciências da Natureza


       Módulo I
      Cosmologia
Observando o céu ao longo de uma
              noite
Um “modelo”: a esfera celeste
• Para os gregos, a esfera celeste seria um
  objeto material, com as estrelas fixas em
  sua superfície, girando [a esfera] em torno
  da Terra a cada 24 horas, com velocidade
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• A esfera seria o limite do Universo – não
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  independente das estrelas?
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E se agora observarmos o céu por
    várias noites sucessivas?
Introduzindo os planetas no
 “modelo”: rumo a um sistema de
             mundo

• A olho nu, além do Sol e da Lua, há cinco
  outros corpos que parecem girar com
  alguma independência em relação à
  esfera das estrelas: Mercúrio, Vênus,
  Marte, Júpiter e Saturno.
• Cada um poderia ter sua própria esfera,
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Claudio Ptolomeu (c. 83 – c. 161)




    Representação de Ptolomeu em iluminura de Giovanni
              Rhosos (?), c. 1453, frontispício
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O sistema ptolomaico (Petrus Apianus, Cosmographia, 1524)
Sistema ptolomaico
• Objetivos: explicar o que se vê, prever o que será
visto no céu

• Principal sistema cosmológico-astronômico
ocidental (Europa e mundo árabe) entre o século II
e o século XVI

• Sucesso empírico, capacidade de adaptação à
cultura da antiguidade greco-romana tardia, do
cristianismo, islamismo...
Bases do sistema ptolomaico
• Física aristotélica:
  – Diferença entre o mundo sublunar (4
    elementos, mutabilidade) e supralunar (5o
    elemento, imutabilidade)
  – Centralidade da Terra

• Matemática e cosmologia platônicas:
  – Movimentos celestes devem ser circulares e
    uniformes
Detalhes




O problema dos planetas
O problema dos planetas consiste, na
 verdade, em uma dois sub-problemas


• Se cada planeta girar em sua própria esfera,
  com velocidade uniforme, como explicar o
  movimento de vai-e-volta (retrogradação)?
• Os planetas aumentam e diminuem o brilho ao
  longo do tempo – será que se aproximam e se
  afastam da Terra? Mas se a Terra está no
  centro da esfera, isso não é possível.
Nicolau Copérnico (1473-1543)




      Retrato anônimo, início do séc. XVI
Contexto
•   Novas relações de produção
•   Reforma
•   Formação de estados nacionais
•   Novo Mundo
•   Imprensa
•   Crise do sistema educacional
•   ...
Hipóteses copernicanas (c. 1514)

• O centro da Terra não coincide com o
  centro do Universo.
• O Sol não se movimenta.
• A Terra se move ao redor do Sol e do seu
  próprio eixo.
Ilustração no interior do livro


Copérnico, De revolutionibus, 1543
Natureza do copernicanismo
• O sistema de Copérnico não é heliocêntrico,
  mas heliostático (o Sol está parado, mas não
  fica exatamente no centro).
• Copérnico mantém a firme crença na existência
  das esferas celestes, e na finitude do Universo.
• O sistema de Copérnico ainda exige o uso de
  excêntricos e epiciclos, como o de Ptolomeu.
• Como provar o movimento da Terra?
• Relação muito complexa com as instituições
  religiosas.
Tycho Brahe (1546-1601)




    Gravura em madeira de 1586 (anôn.)
Ilustração de Cassiopéia com a supernova de 1572, extraída de
                     De stella nova, 1573
Desenhos do cometa de 1577, do próprio punho de Tycho Brahe
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Johannes Kepler (1571-1630)




     Kepler, tela a óleo anônima, c. 1620
Mapa astral de Hans Hannibal Hütter von Hütterhofen (n. 1586),
                      feito por Kepler
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Astronomia nova (1609)
• Dezenas de tentativas frustradas de
  explicar os dados de Tycho Brahe para
  Marte através de combinações de
  movimentos circulares (ptolomaicos e
  copernicanos).
• Descoberta das duas primeiras leis
  (empregando cálculos incorretos): órbitas
  elípticas e velocidades variáveis.
Galileu Galilei (1564-1642)




Galileu, óleo de Justus Sustermans (década de 1630)
Aquarela de 1609, do próprio
                                         Galileu, representando uma
                                         observação lunar (Biblioteca
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Galileu (Museu de História da Ciência
            de Florença)
Mapas astrais para 15h30 e 16h de
     16 de fevereiro de 1564
(nascimento de Galileu), feitos por
           ele mesmo
• Crítica à física aristotélica: não há
  diferença entre o mundo terrestre e o
  celeste (caso da Lua)
• Defesa do sistema de Copérnico com base
  no princípio (não demonstrado) da inércia
  (para explicar o movimento imperceptível
  da Terra) e nas observações telescópicas
• Transição do qualitativo para o quantitativo
• O caso Galileu como modelo de conflito
  entre a ciência e a religião: o que
  realmente se sabe?
Isaac Newton (1643-1727)




 Newton, em óleo de Godfrey Kneller (1702)
Frontispício da primeira edição dos Principia.
O newtonianismo
• Mecanicismo: todo o Universo deve ser
  explicável através das leis do movimento e
  da lei da gravitação
• Universalismo: a natureza deve ser a
  mesma em qualquer lugar
• Idealização: reduzir os problemas ao
  fundamental
• Substituição do porquê pelo como
• Impactos em todas as ciências, inclusive
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Página de um manuscrito alquímico de Newton (data desconhecida)
De Newton ao início do século XX
• Ascensão do newtonianismo como modelo
  ideal de ciência (incluindo grande influência
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• Relação mais complexa entre teoria e
  experimentação
• Acúmulo de descobertas telescópicas,
  resultando na consolidação da visão
  newtoniana de um Universo infinito e
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• Por volta de 1890: sensação de fim da
  ciência
Albert Einstein (1879-1955)
Questionando a cosmologia newtoniana

• Teoria da relatividade especial (1905) e geral
  (1915): razões exclusivamente teóricas
  (verificação experimental posterior)
• Novos conceitos de tempo, espaço, matéria e
  energia, com conseqüências para a cosmologia
  (finito/infinito, buracos negros, tempo fechado...)
• Inúmeros novos sistemas possíveis para a
  descrição do Universo
  – Entre eles, um sistema correspondente a um
    Universo finito e em permanente expansão
A expansão do Universo
• Espectroscopia galáctica: o desvio para o
  vermelho (Hubble, Humason, Slipher, Keeler... c.
  1920)
• Explicação: sistema cosmológico de tipo
  einsteiniano, previamente proposto
• Conseqüência lógica da expansão presente:
  compactação no passado
• Desenvolvimento do modelo do Big Bang,
  incluindo a nova física nuclear: nucleossíntese,
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Cosmologia

  • 1. Ciências da Natureza Módulo I Cosmologia
  • 2. Observando o céu ao longo de uma noite
  • 3.
  • 4. Um “modelo”: a esfera celeste
  • 5.
  • 6. • Para os gregos, a esfera celeste seria um objeto material, com as estrelas fixas em sua superfície, girando [a esfera] em torno da Terra a cada 24 horas, com velocidade constante. • A esfera seria o limite do Universo – não há nada fora dela. • Mas o que fazer com o Sol e a Lua, que giram de modo aparentemente independente das estrelas? – Talvez cada um deva ter a sua própria esfera.
  • 7.
  • 8. E se agora observarmos o céu por várias noites sucessivas?
  • 9.
  • 10. Introduzindo os planetas no “modelo”: rumo a um sistema de mundo • A olho nu, além do Sol e da Lua, há cinco outros corpos que parecem girar com alguma independência em relação à esfera das estrelas: Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. • Cada um poderia ter sua própria esfera, então?
  • 11.
  • 12. Claudio Ptolomeu (c. 83 – c. 161) Representação de Ptolomeu em iluminura de Giovanni Rhosos (?), c. 1453, frontispício de manuscrito da Geographica
  • 13. O sistema ptolomaico (Petrus Apianus, Cosmographia, 1524)
  • 14. Sistema ptolomaico • Objetivos: explicar o que se vê, prever o que será visto no céu • Principal sistema cosmológico-astronômico ocidental (Europa e mundo árabe) entre o século II e o século XVI • Sucesso empírico, capacidade de adaptação à cultura da antiguidade greco-romana tardia, do cristianismo, islamismo...
  • 15. Bases do sistema ptolomaico • Física aristotélica: – Diferença entre o mundo sublunar (4 elementos, mutabilidade) e supralunar (5o elemento, imutabilidade) – Centralidade da Terra • Matemática e cosmologia platônicas: – Movimentos celestes devem ser circulares e uniformes
  • 17.
  • 18.
  • 19. O problema dos planetas consiste, na verdade, em uma dois sub-problemas • Se cada planeta girar em sua própria esfera, com velocidade uniforme, como explicar o movimento de vai-e-volta (retrogradação)? • Os planetas aumentam e diminuem o brilho ao longo do tempo – será que se aproximam e se afastam da Terra? Mas se a Terra está no centro da esfera, isso não é possível.
  • 20.
  • 21.
  • 22. Nicolau Copérnico (1473-1543) Retrato anônimo, início do séc. XVI
  • 23. Contexto • Novas relações de produção • Reforma • Formação de estados nacionais • Novo Mundo • Imprensa • Crise do sistema educacional • ...
  • 24. Hipóteses copernicanas (c. 1514) • O centro da Terra não coincide com o centro do Universo. • O Sol não se movimenta. • A Terra se move ao redor do Sol e do seu próprio eixo.
  • 25. Ilustração no interior do livro Copérnico, De revolutionibus, 1543
  • 26. Natureza do copernicanismo • O sistema de Copérnico não é heliocêntrico, mas heliostático (o Sol está parado, mas não fica exatamente no centro). • Copérnico mantém a firme crença na existência das esferas celestes, e na finitude do Universo. • O sistema de Copérnico ainda exige o uso de excêntricos e epiciclos, como o de Ptolomeu. • Como provar o movimento da Terra? • Relação muito complexa com as instituições religiosas.
  • 27. Tycho Brahe (1546-1601) Gravura em madeira de 1586 (anôn.)
  • 28. Ilustração de Cassiopéia com a supernova de 1572, extraída de De stella nova, 1573
  • 29. Desenhos do cometa de 1577, do próprio punho de Tycho Brahe
  • 30. O sistema de Tycho Brahe. Ilustração de De mundi, 1588
  • 31. Johannes Kepler (1571-1630) Kepler, tela a óleo anônima, c. 1620
  • 32.
  • 33. Mapa astral de Hans Hannibal Hütter von Hütterhofen (n. 1586), feito por Kepler
  • 35. Astronomia nova (1609) • Dezenas de tentativas frustradas de explicar os dados de Tycho Brahe para Marte através de combinações de movimentos circulares (ptolomaicos e copernicanos). • Descoberta das duas primeiras leis (empregando cálculos incorretos): órbitas elípticas e velocidades variáveis.
  • 36. Galileu Galilei (1564-1642) Galileu, óleo de Justus Sustermans (década de 1630)
  • 37. Aquarela de 1609, do próprio Galileu, representando uma observação lunar (Biblioteca Primeiros telescópios feitos por Nazionale Centrale di Firenze ) Galileu (Museu de História da Ciência de Florença)
  • 38. Mapas astrais para 15h30 e 16h de 16 de fevereiro de 1564 (nascimento de Galileu), feitos por ele mesmo
  • 39. • Crítica à física aristotélica: não há diferença entre o mundo terrestre e o celeste (caso da Lua) • Defesa do sistema de Copérnico com base no princípio (não demonstrado) da inércia (para explicar o movimento imperceptível da Terra) e nas observações telescópicas • Transição do qualitativo para o quantitativo • O caso Galileu como modelo de conflito entre a ciência e a religião: o que realmente se sabe?
  • 40. Isaac Newton (1643-1727) Newton, em óleo de Godfrey Kneller (1702)
  • 41. Frontispício da primeira edição dos Principia.
  • 42. O newtonianismo • Mecanicismo: todo o Universo deve ser explicável através das leis do movimento e da lei da gravitação • Universalismo: a natureza deve ser a mesma em qualquer lugar • Idealização: reduzir os problemas ao fundamental • Substituição do porquê pelo como • Impactos em todas as ciências, inclusive nas humanidades
  • 43. Página de um manuscrito alquímico de Newton (data desconhecida)
  • 44. De Newton ao início do século XX • Ascensão do newtonianismo como modelo ideal de ciência (incluindo grande influência sobre as ciências humanas) • Relação mais complexa entre teoria e experimentação • Acúmulo de descobertas telescópicas, resultando na consolidação da visão newtoniana de um Universo infinito e eterno • Por volta de 1890: sensação de fim da ciência
  • 46. Questionando a cosmologia newtoniana • Teoria da relatividade especial (1905) e geral (1915): razões exclusivamente teóricas (verificação experimental posterior) • Novos conceitos de tempo, espaço, matéria e energia, com conseqüências para a cosmologia (finito/infinito, buracos negros, tempo fechado...) • Inúmeros novos sistemas possíveis para a descrição do Universo – Entre eles, um sistema correspondente a um Universo finito e em permanente expansão
  • 47. A expansão do Universo • Espectroscopia galáctica: o desvio para o vermelho (Hubble, Humason, Slipher, Keeler... c. 1920) • Explicação: sistema cosmológico de tipo einsteiniano, previamente proposto • Conseqüência lógica da expansão presente: compactação no passado • Desenvolvimento do modelo do Big Bang, incluindo a nova física nuclear: nucleossíntese, radiação de fundo, matéria escura... • Big Bang, “Big Science”