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Breve Historia del Tiempo - Stephen Hawking

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Brook from dr. stephen hawking
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Historia del Tiempo

Stephen Hawking
ÍNDICE
Agradecimientos
Prólogo
Introducción
Capítulo 1: Nuestra Imagen del Universo
Capítulo 2: Espacio y Tiempo
Capítulo 3: El Universo en Expansión
Capítulo 4: El Principio de Incertidumbre
Capítulo 5: Las Partículas Elementales y las Fuerzas de la Naturaleza
Capítulo 6: Los Agujeros Negros
Capítulo 7: Los Agujeros Negros No son tan Negros
Capítulo 8: El Origen y el Destino del Universo
Capítulo 9: La Flecha del Tiempo
Capítulo 10: Agujeros de Gusano y Viajes en el Tiempo
Capítulo 11: La Unificación de la Física
Capítulo 12: Conclusión
Albert Einstein
Galileo Galilei
Isaac Newton
Glosario
Este libro está dedicado a Jane

Índice

1
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
Agradecimientos

Decidí escribir una obra de divulgación sobre el espacio y el tiempo después de impartir en
Harvard las conferencias Loeb de 1982. Ya existía una considerable bibliografía acerca del
universo primitivo y de los agujeros negros, en la que figuraban desde libros muy buenos,
como el de Steven Weinberg, Los Tres Primeros Minutos Del Universo, hasta otros muy
malos, que no nombraré. Sin embargo, sentía que ninguno de ellos se dirigía realmente a
las cuestiones que me habían llevado a investigar en cosmología y en la teoría cuántica: ¿de
dónde viene el universo? ¿Cómo y por qué empezó? ¿Tendrá un final, y, en caso afirmativo,
cómo será? Estas son cuestiones de interés para todos los hombres. Pero la ciencia moderna
se ha hecho tan técnica que sólo un pequeño número de especialistas son capaces de
dominar las matemáticas utilizadas en su descripción. A pesar de ello, las ideas básicas
acerca del origen y del destino del universo pueden ser enunciadas sin matemáticas, de tal
manera que las personas sin una educación científica las puedan entender. Esto es lo que he
intentado hacer en este libro. El lector debe juzgar si lo he conseguido.
Alguien me dijo que cada ecuación que incluyera en el libro reduciría las ventas a la mitad.
Por consiguiente, decidí no poner ninguna en absoluto. Al final, sin embargo, sí que incluí
una ecuación, la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. Espero que esto no asuste a la mitad
de mis potenciales lectores.
Aparte de haber sido lo suficientemente desafortunado como para contraer el ALS, o
enfermedad de las neuronas motoras, he tenido suerte en casi todos los demás aspectos. La
ayuda y apoyo que he recibido de mi esposa, Jane, y de mis hijos, Robert, Lucy y Timmy,
me han hecho posible llevar una vida bastante normal y tener éxito en mi carrera. Fui de
nuevo afortunado al elegir la física teórica, porque todo está en la mente. Así, mi
enfermedad no ha constituido una seria desventaja. Mis colegas científicos han sido, sin
excepción, una gran ayuda para mí.
En la primera fase «clásica» de mi carrera, mis compañeros y colaboradores principales
fueron Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Carter y George Ellis.
Les estoy agradecido por la ayuda que me prestaron y por el trabajo que realizamos juntos.
Esta fase fue recogida en el libro The Large Scale Structure of Spacetime, que Ellis y yo
escribimos en 1973. Desaconsejaría a los lectores de este libro consultar esa obra para una
mayor información: es altamente técnica y bastante árida. Espero haber aprendido desde
entonces a escribir de una manera más fácil de entender.
En la segunda fase «cuántica» de mi trabajo, desde 1974, mis principales colaboradores han
sido Gary Gibbons, Don Page y Jim Hartle. Les debo mucho a ellos y a mis estudiantes de
Agradecimientos

1
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
investigación, que me han ayudado muchísimo, tanto en el sentido físico como en el sentido
teórico de la palabra. El haber tenido que mantener el ritmo de mis estudiantes ha sido un
gran estímulo, y ha evitado, así lo espero, que me quedase anclado en la rutina.
Para la realización de este libro he recibido gran ayuda de Brian Whitt, uno de mis alumnos.
Contraje una neumonía en 1985, después de haber escrito el primer borrador. Se me tuvo
que realizar una operación de traqueotomía que me privó de la capacidad de hablar, e hizo
casi imposible que pudiera comunicarme. Pensé que sería incapaz de acabarlo. Sin embargo,
Brian no sólo me ayudó a revisarlo, sino que también me enseñó a utilizar un programa de
comunicaciones llamado Living Center (“centro viviente”), donado por Walt Woltosz, de
Words Plus Inc., en Sunnyvale, California. Con él puedo escribir libros y artículos, y además
hablar con la gente por medio de un sintetizador donado por Speech Plus, también de
Sunnyvale. El sintetizador y un pequeño ordenador personal fueron instalados en mi silla de
ruedas por David Mason. Este sistema le ha dado la vuelta a la situación: de hecho, me
puedo comunicar mejor ahora que antes de perder la voz.
He recibido múltiples sugerencias sobre cómo mejorar el libro, aportadas por gran cantidad
de personas que habían leído versiones preliminares. En particular, de Peter Guzzardi, mi
editor en Bantam Books, quien me envió abundantes páginas de comentarios y preguntas
acerca de puntos que él creía que no habían sido explicados adecuadamente. Debo admitir
que me irrité bastante cuando recibí su extensa lista de cosas que debían ser cambiadas,
pero él tenía razón. Estoy seguro de que este libro ha mejorado mucho gracias a que me
hizo trabajar sin descanso.
Estoy muy agradecido a mis ayudantes, Colin Williams, David Thomas y Raymond
Lafiamme; a mis secretarias Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington y Sue Masey; y a mi
equipo de enfermeras. Nada de esto hubiera sido posible sin la ayuda económica, para mi
investigación y los gastos médicos, recibida de Gonville and Caius College, el Science and
Engineeering Research Council, y las fundaciones Leverhulme, McArthur, Nufield y Ralph
Smith. Mi sincera gratitud a todos ellos.

Stephen Hawking
20 de Octubre de 1987

Agradecimientos

2
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
Prólogo1

Yo no escribí un prólogo a la edición original de Historia del Tiempo. Eso fue hecho por Carl
Sagan. En cambio, escribí un pedazo corto titulado "Reconocimientos" en la que me
aconsejaron que agradeciera a todos. Algunas de las fundaciones que me habían dado apoyo
no estuvieron muy agradecidos de haber sido mencionados, sin embargo, también porque
llevó a un gran aumento en aplicaciones.
Yo pienso que nadie, mis publicadores, mi agente, o yo, esperó que el libro hiciera algo
como lo que hizo. Estuvo en la lista de best-seller del London Sunday Times durante 237
semanas, más que cualquier otro libro (al parecer, no se cuentan la Biblia y Shakespeare).
Se ha traducido en algo así como cuarenta idiomas y ha vendido aproximadamente una
copia para cada 750 hombres, mujeres, y niños en el mundo. Como Nathan Myhrvold de
Microsoft (un anterior editor mío) comentó: Yo he vendido más libros sobre física que
Madona sobre sexo.
El éxito de Historia del Tiempo indica que hay interés extendido en las preguntas grandes
como: ¿De dónde vinimos nosotros? ¿Y por qué es el universo de la manera que es? He
aprovechado la oportunidad para poner al día el libro e incluir nuevos resultados teóricos y
de observación obtenidos desde que el libro fue publicado por primera vez (en el Día de los
Inocentes de abril de 1988). He incluido un nuevo capítulo de agujeros de gusano y viajes
en el tiempo. La Teoría General de Einstein de Relatividad parece ofrecer la posibilidad que
nosotros podríamos crear y podríamos mantener agujeros de gusano, pequeños tubos que
conectan regiones diferentes de espacio-tiempo. En ese caso, podríamos ser capaces de
usarlos para viajes rápidos a través de la galaxia o volver en el tiempo. Por supuesto, no
hemos visto a nadie del futuro (¿o tenemos?) pero yo discuto una posible explicación para
esto.
También describo el progreso que se ha hecho recientemente encontrando "dualidades" o
correspondencias entre teorías aparentemente diferentes de físicas.
Estas correspondencias son una indicación fuerte que hay una teoría unificada completa de
la física, pero ellas también sugieren que no pueda ser posible expresar esta teoría en una
sola formulación fundamental. En cambio, nosotros podemos tener que usar reflexiones
diferentes de la teoría subyacente en situaciones diferentes.
Podríamos ser incapaces de representar la superficie de la tierra en un solo mapa y teniendo
que usar mapas diferentes en regiones diferentes. Ésta sería una revolución en nuestra vista

1 Este documento fue digitalizado de la primera versión en español, excepto el prólogo y el Capítulo 10 que fue
obtenido de la segunda versión (editada debido al éxito obtenido). Por lo tanto, los cambios y actualizaciones que
Hawking señala en este prólogo, no están reflejados en este documento. Nota del “scanner”.
Prólogo

1
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
de la unificación de las leyes de ciencia pero no cambiaría el punto más importante: que el
universo es gobernado por un juego de leyes racionales que nosotros podemos descubrir y
podemos entender.
En el lado observacional, lejos el desarrollo más importante ha sido la medida de
fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas por COBE2 y otras colaboraciones.
Estas fluctuaciones son la “impresión dactilar” de la creación, las diminutas irregularidades
iniciales en el por otra parte liso y uniforme universo temprano que después creció en las
galaxias, estrellas, y todas las estructuras que vemos a nuestro alrededor. Su forma está de
acuerdo con las predicciones de la propuesta que el universo no tiene ningún límite o bordes
en la dirección de tiempo imaginaria; pero extensas observaciones serán necesarias para
distinguir esta propuesta de otras posibles explicaciones para las fluctuaciones en el fondo.
Sin embargo, dentro de unos años deberíamos saber si podemos creer que vivimos en un
universo que es completamente autónomo y sin comienzo o finaliza.
Stephen Hawking


2 Cosmic Background Explorer satellite, satélite de Explorador de Fondo Cósmico
Prólogo

2
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
Introducción1

Nos movemos en nuestro ambiente diario sin entender casi nada acerca del mundo.
Dedicamos poco tiempo a pensar en el mecanismo que genera la luz solar que hace posible
la vida, en la gravedad que nos ata a la Tierra y que de otra forma nos lanzaría al espacio, o
en los átomos de los que estamos constituidos y de cuya estabilidad dependemos de manera
fundamental. Excepto los niños (que no saben lo suficiente como para no preguntar las
cuestiones importantes), pocos de nosotros dedicamos tiempo a preguntarnos por qué la
naturaleza es de la forma que es, de dónde surgió el cosmos, o si siempre estuvo aquí, si el
tiempo correrá en sentido contrario algún día y los efectos precederán a las causas, o si
existen límites fundamentales acerca de lo que los humanos pueden saber. Hay incluso
niños, y yo he conocido algunos, que quieren saber a qué se parece un agujero negro, o cuál
es el trozo más pequeño de la materia, o por qué recordamos el pasado y no el futuro, o
cómo es que, si hubo caos antes, existe, aparentemente, orden hoy, y, en definitiva, por
qué hay un universo.
En nuestra sociedad aún sigue siendo normal para los padres y los maestros responder a
estas cuestiones con un encogimiento de hombros, o con una referencia a creencias
religiosas vagamente recordadas. Algunos se sienten incómodos con cuestiones de este tipo,
porque nos muestran vívidamente las limitaciones del entendimiento humano.
Pero gran parte de la filosofía y de la ciencia han estado guiadas por tales preguntas. Un
número creciente de adultos desean preguntar este tipo de cuestiones, y, ocasionalmente,
reciben algunas respuestas asombrosas.
Equidistantes de los átomos y de las estrellas, estamos extendiendo nuestros horizontes
exploratorios para abarcar tanto lo muy pequeño como lo muy grande.
En la primavera de 1974, unos dos años antes de que la nave espacial Viking aterrizara en
Marte, estuve en una reunión en Inglaterra, financiada por la Royal Society de Londres, para
examinar la cuestión de cómo buscar vida extraterrestre.
Durante un descanso noté que se estaba celebrando una reunión mucho mayor en un salón
adyacente, en el cual entré movido por la curiosidad. Pronto me di cuenta de que estaba
siendo testigo de un rito antiquísimo, la investidura de nuevos miembros de la Royal
Society, una de las más antiguas organizaciones académicas del planeta. En la primera fila,
un joven en una silla de ruedas estaba poniendo, muy lentamente, su nombre en un libro

1 En la versión actualizada, esta introducción no aparece.

Introducción

1
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
que lleva en sus primeras páginas la firma de Isaac Newton. Cuando al final acabó, hubo
una conmovedora ovación. Stephen Hawking era ya una leyenda.
Hawking ocupa ahora la cátedra Lucasian de matemáticas de la Universidad de Cambridge,
un puesto que fue ocupado en otro tiempo por Newton y después por P. A. M. Dirac, dos
célebres exploradores de lo muy grande y lo muy pequeño. Él es su valioso sucesor. Este, el
primer libro de Hawking para el no especialista, es una fuente de satisfacciones para la
audiencia profana. Tan interesante como los contenidos de gran alcance del libro es la visión
que proporciona de los mecanismos de la mente de su autor. En este libro hay revelaciones
lúcidas sobre las fronteras de la física, la astronomía, la cosmología, y el valor.
También se trata de un libro acerca de Dios... o quizás acerca de la ausencia de Dios. La
palabra Dios llena estas páginas.
Hawking se embarca en una búsqueda de la respuesta a la famosa pregunta de Einstein
sobre si Dios tuvo alguna posibilidad de elegir al crear el universo. Hawking intenta, como él
mismo señala, comprender el pensamiento de Dios. Y esto hace que sea totalmente
inesperada la conclusión de su esfuerzo, al menos hasta ahora: un universo sin un borde
espacial, sin principio ni final en el tiempo, y sin lugar para un Creador.

Carl Sagan
Universidad de Cornell, lthaca, Nueva York
Introducción

2
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
Capítulo 1
Nuestra Imagen del Universo

Un conocido científico (algunos dicen que fue Bertrand Russell) daba una vez una
conferencia sobre astronomía. En ella describía cómo la Tierra giraba alrededor del Sol y
cómo éste, a su vez, giraba alrededor del centro de una vasta colección de estrellas
conocida como nuestra galaxia. Al final de la charla, una simpática señora ya de edad se
levantó y le dijo desde el fondo de la sala: «Lo que nos ha contado usted no son más que
tonterías. El mundo es en realidad una plataforma plana sustentada por el caparazón de una
tortuga gigante». El científico sonrió ampliamente antes de replicarle, « ¿y en qué se apoya
la tortuga?». «Usted es muy inteligente, joven, muy inteligente -dijo la señora-. ¡Pero hay
infinitas tortugas una debajo de otra!».
La mayor parte de la gente encontraría bastante ridícula la Imagen de nuestro universo
como una torre infinita de tortugas, pero, ¿en qué nos basamos para creer que lo
conocemos mejor? ¿Qué sabemos acerca del universo, y cómo hemos llegado a saberlo. ¿De
dónde surgió el universo, y a dónde va? ¿Tuvo el universo un principio, y, si así fue, que
sucedió con anterioridad a él? ¿Cuál es la naturaleza del tiempo? ¿Llegará éste alguna vez a
un final? Avances recientes de la física, posibles en parte gracias a fantásticas nuevas
tecnologías, sugieren respuestas a algunas de estas preguntas que desde hace mucho
tiempo nos preocupan. Algún día estas respuestas podrán parecernos tan obvias como el
que la Tierra gire alrededor del Sol, o, quizás, tan ridículas como una torre de tortugas. Sólo
el tiempo (cualquiera que sea su significado) lo dirá.
Ya en el año 340 a.C. el filósofo griego Aristóteles, en su libro De los Cielos, fue capaz de
establecer dos buenos argumentos para creer que la Tierra era una esfera redonda en vez
de una plataforma plana. En primer lugar, se dio cuenta que los eclipses lunares eran
debidos a que la Tierra se situaba entre el Sol y la Luna. La sombra de la Tierra sobre la
Luna era siempre redonda. Si la Tierra hubiera sido un disco plano, su sombra habría sido
alargada y elíptica a menos que el eclipse siempre ocurriera en el momento en que el Sol
estuviera directamente debajo del centro del disco. En segundo lugar, los griegos sabían,
debido a sus viajes, que la estrella Polar aparecía más baja en el cielo cuando se observaba
desde el sur que cuando se hacía desde regiones más al norte. (Como la estrella Polar está
sobre el polo norte, parecería estar justo encima de un observador situado en dicho polo,
mientras que para alguien que mirara desde el ecuador parecería estar justo en el
horizonte). A partir de la diferencia en la posición aparente de la estrella Polar entre Egipto y
Grecia, Aristóteles incluso estimó que la distancia alrededor de la Tierra era de 400.000
Capítulo 1

1
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
estadios. No se conoce con exactitud cuál era la longitud de un estadio, pero puede que
fuese de unos 200 metros, lo que supondría que la estimación de Aristóteles era
aproximadamente el doble de la longitud hoy en día aceptada. Los griegos tenían incluso un
tercer argumento en favor que la Tierra debía de ser redonda, ¿por qué, si no, ve uno
primero las velas de un barco que se acerca en el horizonte, y sólo después se ve el casco?


Figura 1.1 Aristóteles creía que la Tierra era estacionaria y que el Sol, la luna, los planetas
y las estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de ella. Creía eso porque estaba
convencido, por razones místicas, que la Tierra era el centro del universo y que el
movimiento circular era el más perfecto. Esta idea fue ampliada por Ptolomeo en el siglo II
d.C. hasta constituir un modelo cosmológico completo.

La Tierra permaneció en el centro, rodeada por ocho esferas que transportaban a la Luna, el
Sol, las estrellas y los cinco planetas conocidos en aquel tiempo, Mercurio, Venus, Marte,
Júpiter y Saturno (figura 1.1).
Los planetas se movían en círculos más pequeños engarzados en sus respectivas esferas
para que así se pudieran explicar sus relativamente complicadas trayectorias celestes. La
esfera más externa transportaba a las llamadas estrellas fijas, las cuales siempre
permanecían en las mismas posiciones relativas, las unas con respecto de las otras, girando
juntas a través del cielo. Lo que había detrás de la última esfera nunca fue descrito con
claridad, pero ciertamente no era parte del universo observable por el hombre.
El modelo de Ptolomeo proporcionaba un sistema razonablemente preciso para predecir las
posiciones de los cuerpos celestes en el firmamento. Pero, para poder predecir dichas
posiciones correctamente, Ptolomeo tenía que suponer que la Luna seguía un camino que la
situaba en algunos instantes dos veces más cerca de la Tierra que en otros. ¡Y esto
significaba que la Luna debería aparecer a veces con tamaño doble del que usualmente
tiene! Ptolomeo reconocía esta inconsistencia, a pesar de lo cual su modelo fue amplio,
aunque no universalmente, aceptado. Fue adoptado por la Iglesia cristiana como la imagen
del universo que estaba de acuerdo con las Escrituras, y que, además, presentaba la gran
ventaja de dejar, fuera de la esfera de las estrellas fijas, una enorme cantidad de espacio
para el cielo y el infierno.
Un modelo más simple, sin embargo, fue propuesto, en 1514, por un cura polaco, Nicolás
Copérnico. (Al principio, quizás por miedo a ser tildado de hereje por su propia iglesia,
Copérnico hizo circular su modelo de forma anónima). Su idea era que el Sol estaba
estacionario en el centro y que la Tierra y los planetas se movían en órbitas circulares a su
alrededor.
Capítulo 1

2
Preparado por Patricio Barros

Historia del Tiempo

Stephen Hawking
Pasó casi un siglo antes que su idea fuera tomada verdaderamente en serio. Entonces dos
astrónomos, el alemán Johannes Kepler y el italiano Galileo Galilei, empezaron a apoyar
públicamente la teoría copernicana, a pesar que las órbitas que predecía no se ajustaban
fielmente a las observadas. El golpe mortal a la teoría aristotélico/ptolemaica llegó en 1609.
En ese año, Galileo comenzó a observar el cielo nocturno con un telescopio, que acababa de
inventar. Cuando miró al planeta Júpiter, Galileo encontró que éste estaba acompañado por
varios pequeños satélites o lunas que giraban a su alrededor. Esto implicaba que no todo
tenía que girar directamente alrededor de la Tierra, como Aristóteles y Ptolomeo habían
supuesto. (Aún era posible, desde luego, creer que las lunas de Júpiter se movían en
caminos extremadamente complicados alrededor de la Tierra, aunque daban la impresión de
girar en torno a Júpiter.
Sin embargo, la teoría de Copérnico era mucho más simple). Al mismo tiempo, Johannes
Kepler había modificado la teoría de Copérnico, sugiriendo que los planetas no se movían en
círculos, sino en elipses (una elipse es un círculo alargado). Las predicciones se ajustaban
ahora finalmente a las observaciones.
Desde el punto de vista de Kepler, las órbitas elípticas constituían meramente una hipótesis
ad hoc, y, de hecho, una hipótesis bastante desagradable, ya que las elipses eran
claramente menos perfectas que los círculos. Kepler, al descubrir casi por accidente que las
órbitas elípticas se ajustaban bien a las observaciones, no pudo reconciliarlas con su idea
que los planetas estaban concebidos para girar alrededor del Sol atraídos por fuerzas
magnéticas. Una explicación coherente sólo fue proporcionada mucho más tarde, en 1687,
cuando sir Isaac Newton publicó su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica,
probablemente la obra más importante publicada en las ciencias físicas en todos los tiempos.
En ella, Newton no sólo presentó una teoría de cómo se mueven los cuerpos en el espacio y
en el tiempo, sino que también desarrolló las complicadas matemáticas necesarias para
analizar esos movimientos. Además, Newton postuló una ley de la gravitación universal, de
acuerdo con la cual, cada cuerpo en el universo era atraído por cualquier otro cuerpo con
una fuerza que era tanto mayor cuanto más masivos fueran los cuerpos y cuanto más cerca
estuvieran el uno del otro. Era esta misma fuerza la que hacía que los objetos cayeran al
suelo. (La historia que Newton fue inspirado por una manzana que cayó sobre su cabeza es
casi seguro, apócrifa.
Todo lo que Newton mismo llegó a decir fue que la idea de la gravedad le vino cuando
estaba sentado «en disposición contemplativa», de la que «únicamente le distrajo la caída
de una manzana»). Newton pasó luego a mostrar que, de acuerdo con su ley, la gravedad
Capítulo 1

3
Preparado por Patricio Barros

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