El efecto Doppler y el origen del universo

¿Cómo pueden estar relacionados un efecto tan sencillo como el de Doppler con una teoría tan importante como el origen del universo? Pues, aunque parezca mentira, ese efecto fue determinante para formular la teoría del Big Bang. El efecto Doppler fue algo de vital importancia en este tipo de descubrimientos relacionados con la expansión del universo y su continuo movimiento.

Muy a menudo, teorías como la del Big Bang necesitan el apoyo de otras, como la del efecto Doppler, para confirmarse y apoyarse en bases científicas. Hoy contaremos esa historia, y explicaremos la importancia de ese descubrimiento.

Pero antes de nada, ¿qué es ese efecto Doppler del que tanto hablamos? Empecemos por el principio.

El efecto Doppler

El 29 de noviembre de 1803 nacía en el seno de una familia de albañiles un chico llamado Christian Andreas Doppler. Su familia no vivía mal, gracias al trabajo de sus padres como albañiles tenían una lujosa casa y el pequeño Christian tenía un puesto asegurado como futuro albañil. Pero Christian siempre había tenido diversos problemas de salud y enseguida se dieron cuenta de que no iba a poder continuar la tradición familiar. Así que empezó a estudiar física y matemáticas en la universidad, materias que pronto convertiría en su pasión y trabajo.

Pero si por algo recordamos a este famoso físico es por su mayor descubrimiento, el efecto Doppler. En realidad es algo muy sencillo y fácil de explicar. Pongamos el ejemplo de una ambulancia que se mueve a través de una carretera. Nosotros estamos parados y vemos cómo se acerca, pasa por delante de nosotros, y después se aleja. ¿Qué oímos?

Según se va a acercando a nosotros, la sirena será cada vez más aguda, mientras que cuando empieza a alejarse pasa a producir un sonido cada vez más grave. Esto es el efecto Doppler. Cuando la fuente del sonido (en este caso la ambulancia) se mueve respecto al receptor (en el ejemplo, nosotros mismos), se producirá un cambio de frecuencias en las ondas sonoras.


En la imagen que veis sobre estas líneas, el receptor es el micrófono y las fuentes son las sirenas de los coches de policía. Cuando el coche naranja se acerca hacia el micrófono, la frecuencia sonora que queda grabada es más grande de lo normal, es como si las ondas sonoras vinieran "comprimidas". Según se va alejando, la frecuencia disminuye y al micrófono le llegan unas ondas sonoras más "alargadas" que la original. Es decir, un coche en movimiento produciría un frente de ondas comprimidas por delante y un frente de ondas expandidas por detrás.

Como el oído humano trata a las altas frecuencias como sonidos agudos y a las bajas frecuencias como sonidos graves, llegamos a la solución de porqué se produce un sonido agudo y después uno grave. Por supuesto, para que se produzca este efecto, el coche debe de ir a una velocidad considerable. Si se encuentra parado, no se nota ninguna variación en la frecuencia sonora, es necesario aumentar la velocidad.

Pero el efecto Doppler no se queda ahí. Por ejemplo, podemos aplicarlo a la luz, ya que también se comporta como onda. El problema es que se necesitan velocidades mucho mayores que las que puede alcanzar un coche, en la vida cotidiana no podemos ver ese tipo de variaciones con facilidad.


Si nos fijamos en el dibujo superior, podemos sacar en claro que cuando una fuente de luz (pongamos como ejemplo una estrella) se aleja a grandes velocidades de un receptor (en este caso, el hombre que la mira fijamente), la luz se desplaza en ondas más largas. Si la fuente de luz se está acercando en vez de alejarse, la luz se desplaza en ondas más cortas. Como habréis comprobado, es algo similar a lo que ocurría con el sonido.

Pero, ¿cuál es la consecuencia de que la luz se desplace en ondas cortas o largas? Sencillamente, varía el color del espectro luminoso. Si la luz se desplaza en forma de ondas cortas, se produce un corrimiento al azul; y si se desplaza en forma de ondas largas, se produce un corrimiento al rojo.

Como observamos en la ilustrativa imagen de la izquierda, un objeto que se aleja va provocando un corrimiento al rojo dentro del espectro luminoso. Si se estuviera produciendo un corrimiento al azul, en vez de acercarse a la parte superior roja, se acercarían a la parte inferior azul.

Como vemos, el efecto Doppler también está presente en la luz. A modo de resumen, cuando el objeto se aleja a la suficiente velocidad, toma un aspecto rojizo, y cuando se acerca toma un aspecto azulado.

Pero os estaréis preguntando qué tiene que ver todo esto con el origen del universo que hemos mencionado al principio. Pues tiene mucho que ver, y es uno de los puntos fundamentales para el descubrimiento del Big Bang.

Sólo tenemos que fotografiar galaxias lejanas con el telescopio, como hizo Edwin Hubble y su colaborador Milton Humason, para hallar la respuesta.


Ley de Hubble y la relación con el Big Bang

Cuando estos dos astrónomos empezaron su ardua tarea, descubrieron datos impresionantes. Hallaron corrimientos al rojo en casi todas las galaxias, prueba irrefutable de que el universo debía estar expandiéndose. Y lo que es más importante aún, cuanto más lejos estaban las galaxias, mayor corrimiento al rojo tenían. Mientras que las galaxias vecinas muestran un corrimiento al rojo muy pequeño, en las más lejanas se producía lo contrario.

Como explicamos antes, cuando algo tenía un corrimiento rojo, se estaba alejando. Por tanto, las galaxias estudiadas por este dúo de astrónomos estaban alejándose.

Esta teoría daba validez al Big Bang y ayudaba a establecer las bases de la expansión del universo. Estudiando la diferente intensidad de corrimiento al rojo de las galaxias que estudiaba, Hubble consiguió medir la distancia y velocidad que tenía cada una, y llegó a la conclusión de que cuanto más lejana era una galaxia, se alejaba a mayor velocidad.

Estas teorías son conocidas como "Ley de Hubble", y a partir de ellas se puede deducir que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia. Como ya dijimos, es un punto fundamental para entender la expansión del universo, y demuestra que esta expansión que todavía podemos ver son los "restos" de esa gran explosión que conocemos como Big Bang.

Pero la ley de Hubble sirvió para muchas cosas más, como para hacer las primeras aproximaciones científicas sobre la edad del universo, es decir, el período de tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang hasta el día de hoy. Actualmente, los científicos piensan que esta cifra ronda los 13.700.000.000 de años.

PD: Esta entrada va a ser mi primera aportación a la IX edición del Carnaval de Física, una iniciativa para divulgar la física que en esta ocasión estará organizada por César, en su blog Experientia Docet.

Fuentes y más información

Efecto Doppler - Wikipedia
Ley de Hubble - Wikipedia
Teoría del Big Bang - Wikipedia
Corrimiento al rojo - Wikipedia
Christian Andreas Doppler - Wikipedia
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14 comentarios:

Dani dijo...

Muy bien explicado, Cendrero. Me han gustado muchos las imágenes.

De siempre, he estudiado este fenómeno como efecto Doppler-Fizeau. Y he visto que últimamente en los libros (e incluso en la universidad) solamente se menciona a Doppler. ¿la historia ha descartado a Fizeau por algún motivo?.

Muy apropiada tu aportación al Carnaval de la Física

Marcos Callau dijo...

Enhorabuena, una aportación estupenda para el Carnaval de física. Como bien apunta Dani, no es por lo que cuentas sino por lo bien que lo explicas. Muy interesante.

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

@Dani: Hola Dani, gracias por pasar por aquí y comentar.

Parece que sí, se ha dejado atrás al francés Fizeau... excepto en Francia, donde parece que sí conservan le nombre de su compatriota.

En el resto de países es una cuestión de tiempo: Doppler y Fizeau trabajaron de forma independiente, y sin ninguna relación llegaron prácticamente al mismo resultado; pero Doppler llegó a ella en el año 1842, con un ensayo titulado "Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros" mientras que Fizeau lo hizo en 1848 aplicando el efecto a las ondas electromagnéticas. El título se lo dieron al más rápido, aunque Fizeau le diera un enfoque algo diferente y lo aplicara de forma algo diferente.

@Marcos: Muchas gracias Marcos, siempre es un placer verte por aquí. A ver qué tal va este mes el carnaval de física, si tengo tiempo quizás le dedique otro artículo, me gustan este tipo de iniciativas. Me alegro de que te gustara el artículo, saludos.

Felix Casanova dijo...

Pues tengo que felicitarte por esta excelente aportación, estimado amigo. Siempre me interesó la materia, y en especial esta teoría de la que, como bien sabes, hay muchos detractores. Pero es algo empírico que a mi juicio deja lugar a poca duda. Algunos se preguntan ¿donde se encuentra ahora la particula que dió origen al bin-bang? en cada uno de los puntos de los límites del universo ¿que hay detrás? uff, en principio nada, ¿pero que es nada? ardua tarea la nuestra de comprender desde nuestra pequeñez la inmensidad y los secretos del universo...

Un abrazo

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

Gracias por tu aportación Félix.

A la hora de hablar del origen del universo siempre va a haber discusión y no vamos a tener una respuesta segura (al menos por ahora). Actualmente se está intentando simular lo que pasó después del Big Bang en el famoso LHC, veremos qué datos salen a la luz con estas investigaciones, por ahora parece que van bien. Pero, como bien dices, también hay alternativas científicas, y tampoco se pueden descartar. Por ahora, no podemos confirmar nada, pero esta teoría es la más aceptada.

Es un tema bastante complejo, y para profundizar bien en él habría que hacer más de un artículo, podríamos pasarnos meses hablando del Big Bang y las alternativas. Pero eso es lo bueno de la ciencia, que siempre puede rectificar y corregir posibles errores que hayan surgido.

Saludos.

Alive dijo...

Muy buen artículo. El inicio del universo... hay muchas preguntas sin resolver por la ciencia aún, y el único modo de dar una respuesta es mediante la religión, aunque suponiendo que un ser supremo creó el mundo, la pregunta se trasladaría a quién creó ese ser... es todo muy confuso, esperemos que la ciencia tarde o temprano nos responda nuestras preguntas.

Saludoss.

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

Gracias Alive. Por supuesto, en este post sólo dejaba la explicación de uno de los factores por los que se cree que el Big Bang es cierto, pero teorías sobre el origen del universo hay muchísimas. Aquí no vamos a entrar en esa discusión sobre el Big Bang, porque directamente sería imposible terminarla con una solución clara XD

Durante toda la historia los filósofos se han planteado esa duda y se han dado cuenta de lo confuso y apabullante que es este tema. ¿Cómo sabemos lo que había al principio? ¿Y antes? Demasiado confuso para nosotros, mejor dejémoslo aquí ;) El efecto Doppler es más fácil que el otro punto, creo yo :)

Saludos.

fisilosofo dijo...

Genial el artículo.
No sé si entrar al trapo del último tema que habéis sacado Alive y Cendrero :P
El problema que le veo a la filosofía (en estos temas más científicos) es que le faltan datos en los que agarrarse: puedes divagar mucho, pero al final necesitas confirmar de alguna manera tus divagaciones.

Y ahí es donde entran experimentos como los del LHC que ha nombrado Cendrero, intentando confirmar o falsar las teorías que ahora se tienen.

Saludos!

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

Hola Fisilosofo, gracias por comentar.

El tema del origen del universo es complejo y por todos es conocido la larga historia de discusiones de las que goza este misterio. Es algo tan apabullante para nosotros que cualquier intento por empezar a comprenderlo puede dar dolor de cabeza, ya sea de forma filosófica o científica.

Puede que una teoría filosófica sobre el origen de éste carezca de base científica, pero no por ello lo podemos descartar, en numerosas ocasiones las hipótesis filosóficas acaban convirtiéndose en hechos científicos.

¿Y si dentro de unos años se cree que en vez del Big Bang el universo surgió por otro suceso inimaginable a día de hoy? Es tanto lo que desconocemos de nuestro universo que podemos esperar cualquier cosa.

Tay dijo...

¿Se puede discrepar?

No estoy de acuerdo, hasta donde llegan mis conocimientos en física (que no es mucho, he de admitir), el efecto Doppler no se da en la luz.

Lo que apreciamos es un efecto parecido al Doppler, pero no es Doppler porque en ningún caso se debe al desplazamiento de dichas galaxias, sino a la expansión del espacio que hay entre las galaxias y nosotros.

El efecto Doppler depende de la relatividad especial, mientras que el corrimiento al rojo de la relatividad general, que sí tiene en cuenta la expansión del espacio.

Es una diferencia que parece sutil, pero es importante, a mi juicio al menos.

Lo expliqué en mi blog hace algún tiempo, aquí.

Un saludo

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

Hola Tay, claro que se puede discrepar, tienes total libertad para hacerlo.

En primer lugar, respecto a lo que dices de "el efecto Doppler no se da en la luz"... Yo tengo entendido que las ondas electromagnética sí sufren este efecto. El físico francés Hippolyte Fizeau, de forma independiente a Christian Andreas Doppler, descubrió el efecto Doppler aplicado a las ondas electromagnéticas en el año 1848 (respecto a este punto, puedes revisar mis fuentes aquí, aquí, aquí y aquí, así como en la propia biografía de Fizeau (Wikipedia)).

Respecto al segundo punto que mencionas, me remito a este PDF:

DOPPLER-FIZEAU, UN ARMA PARA LA ASTROFÍSICA

Si complementas las conclusiones de ese pdf con el siguiente enlace y los gráficos que aparecen en este último, verás a la conclusión que yo quería llegar con este artículo, pero de forma más sencilla y sin entrar en tecnicismos.

Sin ánimo de hacerme pesado con las fuentes y ampliaciones de información (todo esto lo hago para que lo veas más claro, espero que no resulte molesto), uno de los vídeos que me inspiraron a hacer este artículo es un episodio de la famosa serie "Cosmos", de Carl Sagan. Si te diriges a este vídeo y te sitúas en el minuto 1:07 de la reproducción, Carl Sagan empezará a hablar del efecto Doppler en la luz, para más tarde pasar a relatar la historia del descubrimiento del Big Bang en la continuación del episodio. Te animo encarecidamente a que veas los dos vídeos, es una gran base de lo que he hablado en este artículo. Por encima de todas las fuentes citadas anteriormente, el episodio de Cosmos es una de las mejores respuestas que podría ofrecerte.

De todas formas, estoy abierto a las críticas, para cualquier duda puedes dejar otro comentario, o si quieres extenderte más y explicarlo de forma personal mi correo está disponible (puedes encontrarlo en la sidebar del blog).

Gracias por interesarte por el post, saludos muy cordiales :)

Tay dijo...

Hola Cendrero

Gracias por el permiso, así se hace la ciencia, a base de discrepar del mundo :D

Con tu permiso, me voy a extender solo unas líneas más.

Mis conocimientos en física son muy cortos, ¡pero me reitero en mi afirmación! pues los argumentos de Lineweaver me parecen convincentes.

puedes leer el artículo de Scientific American pinchando en el enlace:
Misconceptions about the Big Bang, de Charles H. Lineweaver y Tamara M. Davis. (pdf original)

En él, básicamente dice que por normal general se enseña, incluso en la carrera de física, que el corrimiento al rojo se da por efecto Doppler. Pero se debe a un malentendido arrastrado con el tiempo, que tiene origen en tratar de simplificar la explicación, ya que normalmente imaginamos el Big Bang como una explosión que separa objetos, pero debemos pensar en él como una expansión de espacio.

No se debería hablar de efecto Doppler cuando no hay desplazamiento en el espacio, pues es el espacio mismo el que se desplaza, sin estar limitado por la velocidad de la luz.

Te recomiendo que lo leas, de verdad, para mi fue muy muy esclarecedor.

Me encanta Sagan, pero creo que aquí se equivocaba... o simplificaba, que es más probable.

Un saludo

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

¡Gracias por dejar el enlace al artículo Tay! En cuanto pueda leerlo te respondo, ahora mismo no tengo tiempo, teniendo en cuenta que tiene once páginas y está en inglés.

En unos días tendrás mi respuesta.

Tay dijo...

De nada :)

Ya verás como merece la pena, como dije, es muy esclarecedor. Seguro que lo disfrutas.

Un saludo

 

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