ESCUELA:SECUNDARIAFEDERAL No.11 MAESTRO: JOSE MEDEL GARRIDO LOCALIDAD: JUAREZCHIH. GRADO: SEGUNDO BLOQUE: V SECUENCIA No:1 No. De Sesiones:8 Fecha: 15 Abril 2014 Del:01 -09 Mayo Al : Bloque Temático: Entrada Bloque V La física y el conocimiento del Universo ¿Cómo se originó el Universo? ¿Cómo descubrimos los misterios del Universo? Contenidos: 2.1 Teoría de “La gran explosión”; evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones Competencias: Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica Comprensión de los alcances y limitaciones de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención Aprendizajes esperados: Identifica algunas de las ideas acerca del origen y evolución del Universo, y reconoce sus alcances y limitaciones. Intención pedagógica: Realice grupalmente la lectura de la sección “Inicio” y modere una lluvia de ideas para ir escribiendo en el pizarrón los temas de física, historia, biología, matemáticas y química que están relacionados con el estudio del Universo. Una vez que terminen, pida a los estudiantes que organicen dicha información en un cuadro sinóptico y que reflexionen en torno a si consideran que el estudio del Universo es multi e interdisciplinario o no. Fomente la discusión entre los compañeros y establezcan conclusiones. Recomendaciones procedimentales Recomendaciones procedimentales Pregúnteles qué teorías conocen acerca del origen y evolución del Universo. Cuestione específicamente si saben qué visión sobre el origen del Universo tenían algunas culturas antiguas y desde cuándo creen que los seres humanos se han preguntado acerca de ello. Muchos alumnos querrán participar, pues al menos tendrán ideas previas de la teoría del Big Bang o la Gran Explosión. El tema se aborda superficialmente (y muchas veces de manera errónea y simplista) en la educación básica a nivel primaria por lo que deberá escuchar sus comentarios y señalar los desaciertos que expresen; mencióneles que conforme se avance en la lección se irán subsanando estos errores. Por otro lado, pregunte si creen que sea sencillo elaborar una teoría acerca del origen y evolución del Universo. Haga conciencia en sus estudiantes de la diferencia en dimensiones y espacios que hay entre el Universo y las cosas de nuestra cotidianidad. Cuando terminen de analizar y razonar acerca de estos asuntos, comience con la lectura de la sección “Desarrollo”. Antes de abordar el contenido del subtema “El origen del Universo según los mayas”, Actividad de Inicio : solicite que en sus cuadernos den respuesta a las siguientes preguntas: 1. ¿A qué se asociaban las primeras ideas del origen y evolución del Universo? 2. ¿Con qué finalidad estudiaban el cosmos las culturas antiguas? 3. En la antigüedad, ¿quiénes eran los únicos a los que se les permitía estudiar asuntos relacionados con el cielo? Desarrollo: El origen del Universo según los mayas La cultura maya se desarrolló en el sureste de México y parte de Centroamérica, entre los años 2000 a.n.e. y 1546. Tras su paso por el mundo, han dejado algunos misterios y fuentes de conocimiento invaluables que demuestran su evolución como cultura. Además del desarrollo que tuvieron en áreas como la astronomía, las matemáticas y la arquitectura, crearon una explicación sobre el origen del mundo, la forma del Universo y las deidades que lo habitan. En cuanto a los primeros temas, destaca la construcción de su propio observatorio astronómico en Chichén Itzá, al que actualmente conocemos como “El Caracol”. Con él, lograron registrar con gran precisión los movimientos de Venus y de la Luna; además, predecían eclipses solares y lunares. De la misma forma, elaboraron un calendario que es tan exacto como el nuestro, pero no existe relación alguna entre ellos (fi g. 5.1.) Concebían el Universo como un cuadrado plano limitado por un lagarto cuyo cuerpo está cubierto de símbolos planetarios. Dentro del cuadro se ubican los tres niveles cósmicos: el cielo, al que llamaban Caan; la tierra, Cab; y el inframundo, Xibalba. Del centro de la tierra nace una gran ceiba, cuyo tronco sostiene el cielo y cuyas raíces penetran en el inframundo. Cada esquina representa un punto cardinal y en cada una habita un Bacab o Dios cargador. De ellos depende que las estrellas, los planetas y demás cuerpos celestes permanezcan eternamente en su sitio (fi g. 5.2). Gran parte de este mito se encuentra relatado en su libro sagrado llamado Popol Vuh. Investiguen y respondan en sus libretas: 1. ¿Qué es la arqueoastronomía? 2. ¿Qué visión sobre el origen del Universo tenían los aztecas y los olmecas? Hagan un mapa mental con la información recaudada. La teoría de la Gran Explosión o el Big Bang Se conoce como “Big Bang” al momento en el cual inició la expansión del Universo observable, instante en el que el Universo mismo estaba confinado en una singularidad de altísima densidad de energía. Esto quiere decir que en el inicio del Universo ni hubo explosión, ni fue grande, pues lo que realmente se expandió fue el espacio mismo. Esta teoría afirma que las condiciones iniciales para la expansión del Universo ocurrieron hace aproximadamente catorce mil millones de años. En sus primeros momentos, el Universo estaba lleno homogéneamente de una energía muy densa y tenía una temperatura y presión asociadas. La energía era tan alta que hoy en día es imposible obtener dichos valores en la Tierra, incluso utilizando aceleradores de partículas. Tan pronto el Universo comenzó su expansión, empezó a enfriarse. Para ese momento el Universo estaba colmado o lleno por la radiación (fotones) y se formaron los electrones, los neutrinos y el “plasma de quarks y gluones”. Con el crecimiento de tamaño del Universo, la temperatura siguió en descenso y debido a un cambio aún desconocido llamado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron para formar protones y neutrones. Más tarde, neutrones y protones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia comenzó a moverse más despacio y su densidad de energía comenzó a dominar sobre la radiación. Pasados 380 000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los primeros átomos, mayormente de hidrógeno (75%) y helio (24.9%). Dicho evento permitió que la radiación no sufriera más de choques constantes con las diferentes partículas y que por lo tanto, pudiera moverse por el espacio prácticamente sin obstáculos. A esta radiación es a la que se le conoce como radiación de fondo cósmica o radiación de fondo de microondas. Esto significa, en gran medida, que los fotones que componen esta radiación, son un dibujo del Universo en esa época. Conforme el Universo siguió expandiéndose y enfriándose, las condiciones de densidad y temperatura cambiaron y ya no fueron suficientes para formar átomos más pesados (fi g. 5.3). Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron por atracción gravitacional, haciéndose aún más densas y formando primero, nubes de gases y luego, sucesivamente, cuásares (cuerpos de apariencia estelar con gran potencia de radiación), estrellas, galaxias, cúmulos, supe cúmulos de galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Las estrellas comenzaron a brillar porque las fuerzas gravitacionales provocaron en su interior un incremento en temperatura y presión que permitieron el proceso de fusión nuclear, y su consecuente emisión de energía en forma de radiación electromagnética. Nuestro Sistema Solar se formó aproximadamente hace 4 500 millones de años (o aproximadamente 9 500 millones de años después del Big Bang) a partir de una nube de gas. El Sol y los planetas gigantes se crearon por la acción de la gravedad y los planetas sólidos como la Tierra se formaron a partir de la unión de planetesimales (nombre dado a los agregados de la materia a partir de los cuales se conformaron los planetas). Alcances de la teoría Las cuatro evidencias más fuertes que apoyan la teoría del Big Bang son: 1. El descubrimiento de la radiación de fondo cósmica (1965) y sus medidas detalladas. Dado que una de las predicciones de la teoría del Big Bang fue la existencia de la radiación cósmica de fondo (la predicción fue hecha en 1946), su descubrimiento consiste en una de las demostraciones más claras de esta teoría. Al prender la televisión en un canal “sin señal o sintonía”, observamos una pantalla gris que emite sonidos molestos; parte de esa radiación corresponde a la radiación de fondo cósmica (fig5.4). 2. La expansión del Universo que se expresa a partir de la Ley de Hubble y que se puede apreciar en el “corrimiento al rojo” de las galaxias. Cuando los espectros de la luz que emiten las galaxias se detectan con un desplazamiento hacia longitudes de ondas más largas, se dice que dicha luz tiene un “corrimiento al rojo”. Este desplazamiento es consecuencia del alejamiento continuo de la galaxia respecto de nosotros. La Ley de Hubble relaciona la velocidad de alejamiento de las galaxias y su distancia respecto de los objetos. La fi gura 5.5 muestra los datos observacionales originales que obtuvo Hubble. Los puntos representan a las galaxias. En esta gráfica se observa que cuanto más lejos se encuentra una galaxia, más rápido se aleja de nosotros. A partir de esta relación se puede inferir que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia (fi g. 5.5) 3. La abundancia de los elementos ligeros. A partir de la teoría del Big Bang y de una relación entre fotones, protones y neutrones, se puede calcular la concentración de hidrógeno, helio, deuterio y demás elementos en el Universo. Las abundancias predichas concuerdan, de manera muy aproximada, con aquellas medidas directamente. 4. Evolución y distribución galáctica. Las observaciones de la forma y estructura estelar, la distribución de cuásares y galaxias, y las estructuras más grandes concuerdan con las simulaciones obtenidas sobre la formación del Universo a partir del Big Bang. Limitaciones de la teoría La teoría del Big Bang, por sí misma, tiene tres principales problemas: 1. Problema del horizonte. Este problema resulta del hecho de que la información no puede viajar más rápido que la luz, de manera que dos regiones en el espacio separadas por una distancia mayor que la velocidad de la luz multiplicada por la edad del Universo, no pueden estar casualmente conectadas. Por tanto, resultaría imposible que dichas dos regiones tuvieran actualmente la misma temperatura u otras propiedades físicas, cosa que se ha comprobado totalmente. Por ejemplo, hoy en día la radiación de fondo cósmica tiene una temperatura de 3 Kelvin en todo el Universo. 2. Problema de la planitud. Este problema se origina a partir de la observación de que algunas condiciones iniciales del Universo deben tener valores muy específicos para que el Universo sea exactamente como hoy lo conocemos. Uno de esos parámetros relevantes es la densidad de energía, pues afecta directamente la curvatura del espacio-tiempo. En el presente la densidad de energía es tal que el Universo es especialmente plano, pero en el inicio de la expansión, dicho valor sería diferente y una pequeña desviación del mismo conduciría a la reducción o contracción (en vez de expansión) del Universo. Siendo de esa manera, el Universo no sería como es ahora. 3. Problema de los monopolos magnéticos. Dado que el Big Bang predice defectos en la forma del Universo, se deberían encontrar monopolos magnéticos, cosa que actualmente no ha sucedido. Dados todos los problemas anteriormente citados, muchos de los trabajos teóricos de la cosmología tratan de ampliar o concretar aspectos de la teoría del Big Bang. Tal es el caso del “modelo inflacionario”, que viene a subsanar los tres principales problemas que la teoría del Big Bang no resuelve. El modelo inflacionario plantea que en la primera fracción de segundo después del Big Bang, el Universo no solo se expandió, sino que lo hizo de manera exponencial (de forma abrupta) durante un periodo llamado “inflación cósmica”. Después de este periodo fue cuando los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones. Por otro lado, y con la finalidad de resolver algunas otras limitantes de la teoría del Big Bang, se han propuesto varios otros modelos que aún no han sido comprobados, tal es el caso de la energía oscura o la materia oscura. Dados todos los problemas anteriormente citados, muchos de los trabajos teóricos de la cosmología tratan de ampliar o concretar aspectos de la teoría del Big Bang. Tal es el caso del “modelo inflacionario”, que viene a subsanar los tres principales problemas que la teoría del Big Bang no resuelve. El modelo inflacionario plantea que en la primera fracción de segundo después del Big Bang, el Universo no solo se expandió, sino que lo hizo de manera exponencial (de forma abrupta) durante un periodo llamado “inflación cósmica”. Después de este periodo fue cuando los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones. Por otro lado, y con la finalidad de resolver algunas otras limitantes de la teoría del Big Bang, se han propuesto varios otros modelos que aún no han sido comprobados, tal es el caso de la energía oscura o la materia oscura. Cierre: Practica lo aprendido Formen equipos de cuatro personas y elaboren un periódico mural. Expliquen, mediante imágenes y dibujos, el origen del Universo según alguna cultura antigua (aztecas, olmecas, incas, mesopotámicos, romanos, griegos, egipcios) y compárenla con la teoría de la Gran Explosión o Big Bang. Incluyan una tabla en la que sinteticen las evidencias y las limitaciones de esta teoría. Peguen los periódicos en su salón y formen una exposición con ayuda de su profesor o profesora. ¿Qué periódico mural fue el más informativo? ¿Por qué?