Storia dell'astronomia


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E' stata la prima fra le discipline che studiano la natura a raggiungere la dignità di scienza e a progredire continuamente, coinvolgendo nel suo sviluppo anche altre scienze esatte, come per esempio la geometria.

Il cielo stellato ha richiamato l'attenzione già dell'uomo primitivo e il ripetersi di certi fenomeni naturali gli ha permesso di fare previsioni sempre più precise e importanti riguardanti le fasi lunari, la durata della notte, l'avvicendarsi delle stagioni e perfino le eclissi di luna e di sole.

In questa fase prescientifica l'astronomia conobbe uno sviluppo diversificato in vari luoghi, condizionato senz'altro dall'ambiente, e si arricchì di osservazioni che sono servite come riferimento e base per tutti quelli che hanno rivolto la loro attenzione al cielo e a tutti i fenomeni naturali in stretto rapporto con i corpi celesti.

Un'eclissi con il suo improvviso accadere doveva incutere un certo timore nell'uomo antico, per non parlare poi dell'improvviso apparire di una cometa o di una supernova.

A volte però la paura si trasformava in adorazione nei confronti di chi, come il Sole, puntualmente ogni anno iniziava un nuovo ciclo quasi a voler simboleggiare il trionfo della vita sulla morte, o della Luna, custode delle notti, o di Sirio che con il suo levare segnava l'inizio delle benefiche inondazioni del Nilo presso gli egiziani e perciò considerata annunciatrice di benessere.

Fissare dei punti di riferimento nel cielo era dunque un'esigenza vitale per gli antichi, affinchè con essi potessero scandire i loro momenti cruciali. Il sorgere del Sole, le fasi lunari, il ciclo stagionale ed ogni altro evento astronomico periodico erano dunque dei preziosi riferimenti che in qualche modo segnavano la loro stessa esistenza.

Da tutto ciò derivano i primi reperti di cultura astronomica che risalgono a circa 15000 anni fa, quando vennero incise numerose pitture rupestri, segno di una certa conoscenza del cielo da parte dei popoli di quel tempo. Essi erano degli ottimi conoscitori dei fenomeni celesti, complice anche il fatto che la loro vita sociale e le loro attività si svolgessero esclusivamente all'aperto, e perciò a contatto esclusivo con la natura ed il cielo, e ben lontano dalle luci artificiali della nostra civiltà tecnologica.

Con il passare dei secoli l'uomo mutò la propria vita passando dal nomadismo ad una esistenza più stabile e, con lo sviluppo delle prime società agricole, si impose perciò una maggiore conoscenza della volta celeste e particolarmente del ciclo stagionale. Ecco allora l'orizzonte che, come un calendario naturale indicava loro lo scorrere dei mesi. Vennero eretti infatti, diversi complessi megalitici con precisi allineamenti verso di esso indicanti in ogni periodo i punti di levata e tramonto del Sole, oltre a quelli equinoziali e solstiziali. Il ciclo solare divenne allora oggetto di culto insieme a quello lunare che, legato alle fasi, scandiva invece il tempo nel breve termine.

Stonehenge

Uno dei primi e più antichi monumenti del genere risale attorno al 2000 A.C., quando in Inghilterra venne eretta la gigantesca opera megalitica di Stonehenge, un vero e proprio osservatorio astronomico, con il quale gli antichi abitanti di quelle terre potevano seguire il decorso del Sole e della Luna, nonchè a quanto sembra predire le eclissi. La proclamazione di ogni evento, legato al culto religioso ed alle attività agricole, non era dunque più un problema per le classi sacerdotali, che con un calendario così preciso potevano amministrare con esattezza tutta le vicende sociali e lavorative dei loro popoli.

 

Inizialmente il confine fra l'astrologia e l'astronomia era molto labile, e lo studio e l'osservazione celeste erano affidati anche presso i popoli mesopotamici alle classi sacerdotali che registravano puntualmente ogni evento astronomico. Così essi compilarono quelle famose tavolette in scrittura cuneiforme che, giunte sino a noi, ci offrono una testimonianza diretta di come essi potessero predire eclissi, congiunzioni ed altri fenomeni accaduti circa 3000 anni fa.

Risalgono a loro anche le prime osservazioni planetarie con un preciso studio dei moti dei pianeti attraverso le costellazioni dello Zodiaco, che gli astronomi babilonesi si apprestarono a disegnare lungo l'eclittica.

Con i Greci iniziò la scissione dell'astronomia dall'astrologia, infatti essi, acquisendo tutto il sapere del mondo orientale, e quindi dei popoli egizi e della Mesopotamia, lo coniugarono al loro sapere filosofico.

Grecia

I primi greci, Talete, Anassimandro ed Anassimene, ritenevano che la Terra fosse costituita da un disco circolare circondato dal grande Fiume Oceano, in perpetuo corso, e che sopra vi fosse la conca emisferica del cielo. Nelle opere di Omero appare chiaramente questo modello cosmologico ed è probabile che fosse universalmente accettato fino al VI secolo a.C. Questo modello pone immediatamente il problema di cosa accade alle stelle, al Sole e agli altri pianeti quando spariscono all'orizzonte occidentale. Anticamente i greci ritenevano che tutti i corpi celesti, dopo aver compiuto il loro percorso sulla semisfera celeste, si immergessero nei flutti di Oceano e girassero in qualche modo intorno all'orizzonte verso nord, riapparendo più tardi ad est al momento del loro sorgere.

La sfericità della Terra al centro dell'universo, fu teorizzata da Pitagora intorno al 500 A.C. e confermata da Aristotele con l'osservazione delle eclissi lunari: la terra infatti proiettava sempre un'ombra circolare sulla luna, compatibile solo con una forma sferica del solido.

Con Anassagora venne introdotto il concetto di etere come materia universale. Intanto si elaboravano anche le prime teorie omocentriche, con Platone ad esempio, che poneva l'uomo e la Terra, immobile e sferica, come centro e fine di tutte le cose, e con i pianeti, il Sole, la Luna e tutti gli altri corpi celesti che orbitavano attorno ad essa.

 

Eratostene di Cirene intorno al 230 a.C. misurò per la prima volta le dimensioni della Terra. Il suo calcolo si basava sull'osservazione che un bastone verticale posto a Siene (Assuan) in Egitto il giorno del solstizio d'estate, non proietta nessuna ombra. Ciò significa che, in quel giorno e a quell'ora, il Sole si trova esattamente allo zenit. Nello stesso giorno dell'anno e alla stessa ora, un uguale bastone piantato ad Alessandria, proietta un'ombra e indica una inclinazione di 7° 12' dei raggi solari rispetto alla verticale. Se Alessandria si trova esattamente a nord di Siene (come Eratostene credeva), la differenza di latitudine tra i due luoghi è di 7° 12'. Conoscendo la distanza tra Siene e Alessandria era possibile calcolare, per mezzo di una proporzione, la misura della circonferenza e quindi del diametro terrestre. Infatti, se 7° 12' rappresentano un cinquantesimo dell'angolo giro, anche la distanza Siene-Alessandria deve essere la cinquantesima parte della circonferenza terrestre. Le stime della distanza tra le due città era allora di 250.000 stadi egiziani (1 stadio = 157,5 metri). Ottenne un valore del meridiano terrestre pari a circa 39357 km, una misura straordinariamente vicina a quella oggi accettata (inferiore soltanto di circa 634 Km).

Molti dubbi sono stati sollevati oggi sulla realizzazione effettiva di tale prova. Una leggenda vuole che la distanza tra Siene e Alessandria sia stata misurata da uno schiavo che coprì il percorso a piedi.

E’ possibile che la misura effettuata intorno al 250 a.C. da Eratostene avesse un errore addirittura inferiore all’uno per cento? E’ evidente che le cose siano andate in maniera molto diversa da come ce la raccontano i testi scolastici; la questione è tremendamente più complicata e non del tutto chiarita.

 

Eudosso da Cnido

 

I greci, non possedendo nessuna teoria fisica sul perché i pianeti si muovano in orbite, si diedero da fare a immaginare modelli nei quali i corpi celesti si dovevano necessariamente muovere secondo orbite circolari. In questo modo veniva colmata la carenza di una teoria fisica e nello stesso tempo andavano d'accordo con l'idea della perfetta simmetria della sfera enunciata da Platone. Senza una teoria così semplice e geometrica, l'universo sarebbe apparso inesplicabilmente privo di leggi. La concezione dei moti circolari persistette fino a Keplero e Keplero stesso esitò a lungo prima di abbracciare la concezione delle orbite ellittiche. Eudosso di Cnido (408-355 a.C.) fu il primo a elaborare matematicamente un sistema di sfere celesti. Il sistema delle sfere cristalline non era così semplice come comunemente si crede.

Secondo Eudosso, il modello era molto complesso: soltanto le stelle fisse possedevano un'unica sfera. La Luna e il Sole, ad esempio, possedevano ben tre sfere ciascuno. Solo in questo modo si potevano spiegare, in parte, i complessi movimenti dei pianeti. Con questo modello, che prevedeva 4 sfere per i pianeti, Eudosso, non solo spiegava i moti retrogradi dei pianeti, ma anche l'inclinazione dell'orbita dei pianeti rispetto a quella terrestre.

La teoria di Eudosso di Cnido costituisce il primo tentativo di risolvere il problema delle irregolarità riscontrate nei moti planetari, spiegandole attraverso il ricorso a movimenti circolari e regolari. Nel suo modello i corpi celesti stanno su sfere concentriche rispetto alla Terra che è considerata immobile al centro dell’universo. La sfera più esterna è quella delle stelle fisse e si muove di moto circolare uniforme. Gli altri corpi celesti sono collocati su sette gruppi di sfere, tre per il Sole, tre per la Luna e quattro per ciascuno dei cinque pianeti, per un totale di ventisette sfere. Le sfere sono tutte concentriche e ciascuna di esse all’interno del proprio gruppo ruota intorno a un asse differente. Il corpo celeste relativo a un gruppo è fissato alla sfera più intera e partecipa alla rotazione di tutte le sfere del gruppo. Con la combinazione di questi moti circolari si ottengono traiettorie assai complesse, tali da descrivere il moto reale dei moti celesti.

Aristotele

 

Anche Aristotele (384 a.C. - 322 a.C.) diede il suo contributo, con un modello di universo sferico, finito e centrato sul nostro pianeta, che era basato ancora una volta sul sistema di sfere concentriche, suddivise però in due nature: quella celeste, immutabile, incorruttibile e formata essenzialmente da etere, e quelle imperfette e mutevoli dei 4 elementi naturali: Terra, Acqua, Aria e Fuoco. In queste ogni elemento tendeva alla sfera di cui faceva parte, così il fumo saliva in alto verso la sfera dell'aria, mentre i gravi cadevano in basso verso la Terra. Aristotele elabora un sistema cosmologico: una scienza fisica nel senso dell'episteme, che ricerca le cause e spiega il funzionamento reale del meccanismo planetario. Esso si basa sullo schema delle sfere omocentriche immaginato (in via ipotetica) dal matematico Eudosso. Aristotele considera l'astronomia non una scienza ma una techne, che si occupa di misurazioni matematiche, predice le posizioni passate e future dei pianeti sulla volta celeste, senza occuparsi delle cause fisiche che li producono. Il sistema delle sfere ha una valenza calcolatoria ed ipotetica in Eudosso; una valenza fisica in Aristotele. Le sfere sono piene, compatte e impenetrabili: su di esse sono infissi i corpi celesti, che quindi sono immobili e non possono ruotare. Vengono evidenziate anomalie del sistema delle sfere: le variazioni di luminosità di Venere e Marte. Questo conduce alla necessità di moltiplicare il numero delle sfere, fino a 55.

Le sfere, che per Eudosso erano solo dei supporti geometrici per descrivere il moto planetario, assumono per Aristotele una realtà fisica: oltre che riempire l'Universo ed eliminare gli spazi vuoti, esse permisero di rifiutare l'idea platonica dell'anima del mondo. Infatti, l'aver ridotto il moto bizzarro dei pianeti a rigorose combinazioni di moti circolari uniformi, ne giustificava una loro descrizione in termini solo di moti naturali. Il pensiero di Aristotele si oppone a quello di Platone soprattutto perché esso respinge radicalmente l'idea che il vero essere si debba trovare in un mondo trascendente di forme. L'oggetto della filosofia in generale e quello della scienza in particolare è formato dalle cose che percepiamo con i sensi; tutta la conoscenza che possiamo acquisire trae la sua ultima ragione dalle percezioni sensibili, anche se l'intelletto ha una propria funzione attiva da compiere nella elaborazione di questi dati; questa concezione porta ad un atteggiamento fondamentalmente empirico di fronte ai fenomeni della natura.

 

Eraclide Pontico

Dopo Aristotele, la teoria di Eudosso fu scartata perché non poteva spiegare un fatto fondamentale: la variazione di luminosità dei pianeti. Marte, ad esempio, quando è più vicino alla Terra appare notevolmente più luminoso e viceversa. Secondo la teoria di Eudosso invece, Marte e gli altri pianeti stanno sempre alla stessa distanza dalla Terra. Proprio da considerazioni di questo tipo Eraclide Pontico (390-310 a.C. e contemporaneo di Eudosso) giunse a ipotizzare quella teoria che verrà poi chiamata da Ipparco e Tolomeo teoria degli epicicli. La teoria degli epicicli prevede, per un pianeta interno come ad esempio Venere, un sistema di questo tipo. Il Sole ruota attorno alla Terra e Venere, a sua volta, ruota attorno al Sole. Venere quindi esegue un piccolo "ciclo" che si trova su un'orbita più grande. (Il termine "epì" in greco significa "sopra") Per un pianeta esterno, come ad esempio Marte, le cose si complicano: il pianeta ruota attorno ad un centro C con lo stesso periodo di rotazione del Sole attorno alla Terra e, nello stesso tempo, il centro C ruota attorno alla Terra con lo stesso periodo di rotazione di Marte attorno al Sole. Non si sa con precisione se la spiegazione dell'orbita di Marte sia propria di Eraclide o se si tratta di una elaborazione di un pitagorico a lui vicino. Venivano spiegati in questo modo, sia i moti retrogradi (a causa del moto dell'epiciclo, nessun pianeta appare ruotare attorno alla Terra a velocità uniforme e sempre da ovest verso est, ma agli occhi di un osservatore terrestre, esso percorre, a ritmi regolari, anche un moto retrogrado - da est verso ovest) sia le variazioni di luminosità (il pianeta si avvicina e si allontana dalla Terra). Le ipotesi di Eraclide Pontico sono molto importanti soprattutto perché furono le prime a dare una centralità al Sole che, pur girando ancora attorno alla Terra, diviene il centro delle orbite di Mercurio e di Venere. Si tratta di concezioni che, curiosamente, anticipano di diciannove secoli il sistema simile ideato da Tycho Brahe.

 

Aristarco

1800 anni prima di Copernico propose la prima teoria eliocentrica, anche se ancora improntata sul classico sistema di sfere, e tentò per primo di misurare le distanze fra la Terra e la Luna ed il Sole. Secondo una attendibile testimonianza di Archimede, Aristarco di Samo (nato verso il 310 a.C.) giunge per primo a ipotizzare una teoria eliocentrica nella quale tutti i pianeti girano attorno al Sole, e il Sole gira attorno alla Terra. Siamo molto vicini alla teoria eliocentrica attuale. Aristarco stesso aveva compreso anche che in questo modo non aveva molta importanza se fosse il Sole a girare attorno alla Terra oppure la Terra attorno al Sole, perché le due ipotesi erano quasi equivalenti. Inoltre Aristarco comprese che se fosse stata la Terra a girare attorno al Sole, di conseguenza le stelle avrebbero dovuto essere lontanissime. Infatti il fondo stellato, nel corso dell'anno, non subisce variazioni di parallasse e quindi l'orbita della Terra intorno al Sole doveva essere davvero minuscola rispetto alla dimensione della sfera delle stelle fisse.

 

Ipparco

Inventò il primo strumento astronomico di cui si ha menzione, la diottra, con la quale misurò la posizione delle stelle. Egli è stato anche lo scopritore del fenomeno della precessione degli equinozi, ed uno dei primi astronomi a redigere un completo elenco stellare con la catalogazione di circa un migliaio di stelle, distinte per grado di magnitudine, e rintracciabili per mezzo di coordinate astronomiche. Quantificò inoltre i valori dell'anno siderale e di quello tropico.

Ipparco (185-127 a.C.), nonostante abbia contribuito a far abbandonare la teoria eliocentrica di Aristarco, è considerato il più grande astronomo dell'antichità. Nacque a Nicea di Bitinia e visse per la maggior parte della sua vita a Rodi. Trascorse qualche tempo anche ad Alessandria d'Egitto che era un centro di attrazione per i migliori artisti, scienziati e tecnici dell'epoca. Le sue opere, che non sono giunte fino a noi, sono state tramandate da Tolomeo, suo grande ammiratore, che visse tre secoli dopo. Fra i suoi notevolissimi contributi all'astronomia sono da evidenziare i confronti sistematici e critici di antiche osservazioni con quelle da lui eseguite al fine di scoprire variazioni di piccole entità. Infatti Ipparco era uno studioso scrupolosissimo e inventò anche degli strumenti appositi per l'osservazione astronomica (come l'astrolabio e la diòttra). Riuscì a compilare un famoso catalogo delle stelle fisse, circa ottocentocinquanta, fornendo per ciascuna di esse la latitudine, la longitudine e lo splendore. Al fine di perfezionare i suoi calcoli astronomici, gettò le basi di quel ramo della geometria che più tardi si chiamerà trigonometria e scoprì fra l'altro, la precessione degli equinozi. Gli studi accurati dei moti del Sole e della Luna gli permisero di determinare la durata dell'anno solare in 365 giorni e 6 ore e a predire le eclissi con maggiore precisione di altri. Il sistema astronomico di Ipparco respingeva la teoria delle sfere di Eudosso, che non spiegava come mai i pianeti si avvicinassero e si allontanassero periodicamente dalla Terra. Riprese invece, parzialmente, l'ipotesi di Eraclide Pontico che immaginava Mercurio e Venere in rotazione attorno al Sole. Ipparco affermò che tutti i pianeti, la Luna e il Sole ruotavano attorno a cerchi di raggio minore (epicicli) i quali a loro volta ruotavano attorno alla Terra secondo orbite con raggio maggiore. Rifiutò l'idea della rotazione della Terra attorno a se stessa e rifiutò anche l'ipotesi eliocentrica di Aristarco.

 

 

 

Claudio Tolomeo

Della vita di Tolomeo (100 d.C. – 175 d.C.) non si sa nulla se non che scrisse l'Almagesto, un testo di astronomia che è rimasto il testo fondamentale per tutto il medio evo. Claudio Tolomeo assorbì integralmente l'opera di Ipparco senza introdurvi idee originali. Egli riuscì però a sviluppare e a esporre in forma ordinata e sistematica la sua teoria geocentrica. Una sua importante variazione consisteva nel sostituire delle sfere al posto dei cerchi epiciclici di Ipparco. L'ipotesi di partenza di Ipparco e Tolomeo era che comunque tutti i moti dovevano essere circolari, ipotesi già formulata tre secoli prima da Eudosso. Purché venisse soddisfatta questa ipotesi fondamentale, essi accettavano modelli sempre più complessi di epicicli nei quali però si tolleravano alcuni gradi di libertà in più rispetto alla teoria di Eudosso. Ad esempio, la Terra poteva non trovarsi esattamente al centro delle orbite dei centri degli epicicli (orbite eccentriche). Inoltre i centri degli epicicli potevano non avere moti uniformi, ma potevano variare di velocità. Mentre la teoria delle sfere epicicliche viene presentata come ipotesi matematica, l'immobilità della Terra è per lui un principio fisico di simmetria delle forze dell'universo che avrebbero dovuto trattenere la Terra al centro del mondo. Rifiutava anche la rotazione terrestre: se la Terra si muovesse non reggerebbe alla disintegrazione. Inoltre, secondo lui, a causa della rotazione, un oggetto lanciato in alto sulla verticale non sarebbe ricaduto nello stesso punto, bensì più indietro rispetto alla posizione del lancio (verso occidente). Dalla pubblicazione dell' Almagesto di Tolomeo dovettero passare ben 14 secoli prima di vedere qualche progresso significativo nelle scienze astronomiche.

 

Nella prefazione del suo libro (Almagesto), egli definisce il problema ed enuncia le ipotesi da lui accettate:

"…noi desideriamo trovare le cose che appaiono evidenti e inconfutabili traendole dalle osservazioni antiche nonché da quelle da noi effettuate, e mediante dimostrazioni geometriche desideriamo utilizzare le conseguenze di queste concezioni. Inoltre, la nostra opinione è che i cieli sono sferici e che si muovono in maniera sferica; che la terra, per quanto riguarda la forma, è sensibilmente sferica…; per ciò che riguarda la sua posizione, è posta nel giusto mezzo dei cieli, a guisa di centro geometrico; per ciò che riguarda le dimensioni e la distanza, la terra è come un punto rispetto alla sfera delle stelle fisse, e non è animata da alcun moto locale."

Nel modello di Tolomeo si mantiene la successione delle sfere collegate a ciascun astro, ma ciascuna ruota indipendente dalle altre.
La Terra è al centro dell’universo, ma non è sempre al centro esatto di tutti i cerchi perfetti: la Terra è in posizione eccentrica. Inoltre i corpi celesti stanno su altre sfere che hanno il loro centro sulle prime. La composizione del moto delle due sfere, l’epiciclo (quella su cui sta il pianeta) e il deferente (quella concentrica con la terra), riproduce il fenomeno del moto retrogrado e rende conto del fatto che i pianeti sono più luminosi (più vicini alla Terra) durante il moto retrogrado.
Questo modello, anche se più flessibile di quello di Eudosso, si complicò con l’aggiunta di sfere accessorie e di altre ipotesi necessarie per giustificare i dati sperimentali emergenti.

 

...salvare i fenomeni e non solo quelli rilevati in seguito, ma neppure quelli noti in precedenza .... Mi riferisco al fatto che i pianeti appaiono talvolta vicini a noi, talvolta essersi allontanati, come è evidentissimo alla vista.

 

 

Il modello che Tolomeo propose nella sua opera in tredici volumi per descrivere le orbite del Sole, della Luna e dei cinque pianeti visibili ad occhio nudo è in realtà molto complesso e ogni singolo pianeta meriterebbe una trattazione molto approfondita.

I pianeti descrivono in modo uniforme un'orbita circolare (epiciclo) il cui centro descrive a sua volta in modo uniforme un'orbita circolare (deferente) intorno alla Terra.

 

Nel sistema tolemaico il moto proprio dei pianeti risulta dalla composizione di epicicli e deferenti: il deferente è però eccentrico rispetto alla Terra e il moto del centro dell'epiciclo lungo il deferente è uniforme rispetto ad un punto (equante) simmetrico della Terra rispetto al centro del deferente stesso. I pianeti si muovono con velocità angolare costante rispetto all'equante. La Terra comincia a perdere il proprio ruolo centrale nell'Universo mentre il Sole acquista un proprio ruolo nel moto di tutti i pianeti: infatti il periodo del moto lungo l'epiciclo per i pianeti esterni (Marte, Giove e Saturno) e quello dell'epiciclo lungo il deferente per i pianeti 'interni' (Mercurio e Venere) coincide con quello del moto apparente del Sole (un anno). Solo una radicata convinzione dell’ impossibilità del moto della Terra può aver impedito agli scienziati alessandrini di accorgersi che tutto questo poteva essere semplicemente spiegato attribuendo tale periodo ad un moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole. Bisognerà aspettare più di dodici secoli perché Copernico si renda conto di questa coincidenza e, nel tentativo di ricostruire la semplicità e la perfezione del modello cosmologico platonico, proponga di porre il Sole al centro dell'Universo.

 

 

 

 

La cosmologia medievale

 

All'epoca di Tolomeo (II sec. d.c) Alessandria faceva parte dell'Impero Romano, nel quale con l'editto di Costantino iniziò a diffondersi rapidamente la religione cristiana, che divenne poi religione di Stato con l'editto di Tessalonica (380 d.C.). I risultati del pensiero greco, in quanto pensiero pagano, cominciarono ad essere sottoposti a critica da parte dei Padri della Chiesa. Il messaggio biblico, infatti, poneva l'uomo e non il cosmo al centro dell'opera creatrice di Dio. Inoltre l'aspirazione dell'uomo non era più quella di arrivare alla conoscenza della verità, bensì quella di fare la volontà di Dio per la propria salvezza. Non importava tanto sapere come andava il cielo ma come andare in cielo. Per quanto riguarda le conoscenze astronomiche si assiste in alcuni casi ad una sistematica e quasi delirante negazione di qualsiasi risultato; i più illuminati Padri della Chiesa, come S. Agostino (354 - 430 d.C.), che visse la sua giovinezza ad Alessandria, si limitarono ad ignorare il problema ritenendolo "non necessario per la salvezza dell'anima".

 

Con il passare dei secoli si andò incontro ad una decadenza della cultura; le opere dei classici vennero dimenticate e in alcuni casi distrutte. Solo all'inizio del X secolo l'Occidente cominciò a riscoprire, attraverso la cultura araba, le opere degli antichi filosofi e matematici greci. Verso la metà del VII secolo, infatti, gli Arabi, uniti dalla nascente fede Islamica, diedero inizio ad una serie di conquiste che li portarono, attraverso il bacino mediterraneo, fino in Spagna. Essi vennero così in possesso di molti dei manoscritti che la cultura occidentale aveva abbandonato e che contenevano gran parte del patrimonio culturale greco; l'assimilarono rapidamente e l'arricchirono di nuovi contributi, specie nel campo della matematica, della chimica, dell'ottica e anche dell'astronomia. Ma soprattutto conservarono tutti i documenti dell'antica scienza greca traducendoli nella loro lingua.

 

La crisi del pensiero scientifico aristotelico iniziò verso la fine del XIV secolo; in particolare Buridano (1300 - 1385) ed Oresme (1323 - 1382), analizzando con nuovo spirito critico le argomentazioni di Aristotele per quanto riguarda l'immobilità della Terra, portarono buoni argomenti in favore dell'impossibilità di dimostrare che la Terra fosse di necessità il centro immobile dell'Universo. Tuttavia come ebbe a dichiarare esplicitamente Oresme tutti ritengono e io personalmente credo che essi [i cieli] si muovono e la Terra no: ed è anche stabilito che il mondo non possa muoversi- Salmo XCIII,1 e Vulgata XCII,1. Vennero inoltre criticate le teorie di Aristotele sul moto violento dei corpi e introdotta la teoria dell'impetus. La rottura con i concetti fondamentali della scienza aristotelica fu successivamente facilitata dallo spirito antiaristotelico dell'umanesimo. La nascente filosofia neoplatonica e neopitagorica portò inoltre una nuova fede nella possibilità di scoprire nella natura semplici regolarità aritmetiche e geometriche e una nuova concezione del Sole come sorgente di ogni principio e forza vitale dell'Universo.

 

Niccolò Copernico

 

Copernico (1473 - 1543) fu un grande astronomo polacco che per primo mise in dubbio il sistema geocentrico delle teorie di Aristotele e di Tolomeo.

Per circa quattordici secoli, la visione tolemaica della Terra immobile al centro dell'universo e circondata dalle sfere celesti, non era mai stata messa in discussione. Copernico, nel suo De Revolutionibus Orbium Coelestium, ipotizzava innanzitutto che la Terra non fosse il centro dell'Universo, ma che ruotasse attorno al Sole.

 

L'idea guida della rivoluzione copernicana fu che l'apparente moto diurno delle stelle, il moto annuo del Sole e i complicati moti apparenti dei pianeti, in particolare i loro moti retrogradi, siano il risultato del moto diurno di rotazione della Terra attorno al suo asse e del suo moto annuo di rivoluzione attorno al Sole, che è immobile al centro del sistema solare (eliocentrismo). Nel suo sistema Copernico riusciva a descrivere i moti della Luna e dei pianeti in un modo più semplice ed elegante di quanto non avesse fatto Tolomeo nel suo sistema geocentrico. Il fenomeno riceveva invece una spiegazione semplice e immediata nel sistema copernicano. Tuttavia, quando egli dovette rendere conto dei moti planetari da un punto di vista quantitativo, oltre che qualitativo, constatò l'impossibilità di riprodurre le osservazioni in termini di moti circolari percorsi a velocità costante. Si trovò così a sua volta costretto, contravvenendo alla prescrizione di semplicità che egli stesso si era data, a introdurre degli epicicli, seppure trascinati, nel suo sistema, su orbite concentriche col Sole anziché con la Terra. Copernico infatti mantenne le orbite circolari e non introdusse ancora le orbite ellittiche.

 

I punti fondamentali della sua teoria possono essere così riassunti:

 

1.Non vi è un unico punto centro delle orbite celesti e delle sfere celesti;

2.Il centro della Terra non è il centro dell'Universo, ma solo il centro della massa terrestre;

3.La distanza fra la Terra ed il Sole, paragonata alla distanza fra la Terra e le stelle del Firmamento, è infinitamente piccola;

4.Il movimento del Sole durante il giorno è solo apparente, e rappresenta l'effetto di una rotazione che la Terra compie intorno al proprio asse durante le 24 ore, rotazione sempre parallela a sé stessa;

5.La Terra (insieme alla Luna, ed esattamente come gli altri pianeti) si muove intorno al Sole ed i movimenti che questo sembra compiere (durante il giorno e nelle diverse stagioni dell'anno, attraverso lo Zodiaco) altro non sono che l'effetto del reale movimento della Terra;

6.I movimenti della Terra e degli altri pianeti intorno al Sole possono spiegare le stazioni (punti di fermata apparente), le stagioni e le altre particolarità dei movimenti planetari.

 

 

Tycho Brahe

 

Nato in Danimarca, a Knudstrup, nel 1546, Tycho era figlio del governatore del castello di Helsingborg. Dopo aver compiuto gli studi a Copenaghen e in Germania, si interessò presto di astronomia e di astrologia. Possiamo già farci un'idea della sua particolare personalità da un fatto curioso: arrivò a sfidare a duello un compagno di studi che aveva osato mettere in dubbio le sue capacità matematiche. Ci rimise il naso che si fece poi ricostruire con una protesi in oro. Osservando nel 1563 una congiunzione di Giove e Saturno si rese conto che anche le più recenti e aggiornate tavole astronomiche (le Tabulae Prutenicae di Erasmo Rehinold) erano in errore di parecchi giorni. Cominciò a progettare e collezionare strumenti di osservazione sempre più imponenti fra cui un grande quadrante per osservazioni stellari e un globo celeste sul quale andava segnando le posizioni delle stelle confermando ancora l'imprecisione e la lacunosità delle misurazioni astronomiche fino ad allora eseguite. Il grande contributo di Tycho Brahe all'astronomia fu infatti soprattutto quello di imporre l'esigenza di misurazioni e osservazioni continue e sempre più precise, a differenza dei precedenti astronomi che, influenzati dalla concezione aristotelica, davano molta più importanza agli aspetti qualitativi che a quelli quantitativi. Nel novembre del 1572 compariva una stella molto luminosa nella costellazione di Cassiopea. Si trattava di una supernova. Tycho la osservò accuratamente nelle sue fasi di luce, notando che doveva essere molto più lontana della Luna. Infatti non presentava nessuna parallasse sensibile e quindi doveva appartenere al cielo delle stelle fisse. La cosa dovette suscitare un certo scalpore negli ambienti accademici, visto che si riteneva che tutti i corpi celesti appartenenti al cielo delle stelle fisse non avrebbero dovuto essere soggetti a mutazioni e corruzioni.

Viaggiò parecchio in Germania e in Italia, pensando poi di andare a stabilirsi a Basilea con la famiglia. Il re Federico II, che era un protettore delle arti e delle scienze, per timore di perderlo gli fece un dono favoloso: gli conferì l'isola danese di Hveen con tutte le rendite che produceva e si impegnò a costruirgli un osservatorio a spese dello stato. Nacque così un grande edificio chiamato Uranjborg (castello del cielo), una singolare costruzione situata nel mezzo di un giardino quadrato circondato da mura come una fortezza e orientato con i vertici verso i quattro punti cardinali. Il castello possedeva torri di osservazione con tetti mobili, una biblioteca, un laboratorio di alchimia e altri locali di lavoro e di abitazione. Vi installò molti strumenti astronomici (sestanti, armille equatoriali, strumenti parallattici, orologi ecc.).

Tycho immaginò una terza possibilità tra il sistema copernicano e quello tolemaico, un sistema che combinava le due ipotesi senza contrastare nessun principio fisico o religioso, il quale rappresentava un compromesso fra il geocentrismo e l’eliocentrismo: la Terra restava immobile al centro e intorno ad essa ruotavano Luna e Sole; quest’ultimo, a sua volta, diveniva il centro della rotazione degli altri pianeti. In questo modo, le orbite dei pianeti interni avevano raggio minore del raggio orbitale del Sole intorno alla Terra, mentre quello dei pianeti esterni doveva essere maggiore (perché esse potessero trovarsi all’opposizione, cioè dalla parte opposta del Sole rispetto alla Terra, sorgendo al tramonto del Sole e tramontando al sorgere del Sole, come in effetti fanno Marte, Giove e Saturno). Le osservazioni che Tycho aveva compiuto non contrastavano con questo sistema tychonico, che fu ben visto anche in ambiente ecclesiastico e gli permise di mantenere i privilegi ottenuti dal Re di Danimarca.

La scelta di Brahe non fu di tipo teologico o metafisico; le motivazioni che lo portarono a non accettare il moto della Terra erano fisicamente corrette, ma si basavano su premesse che si rivelarono in seguito errate. Il contributo di Brahe all'affermarsi del modello eliocentrico fu comunque determinante. Oltre che rendere possibili le scoperte di Keplero, egli distrusse completamente il concetto di sfere solide, introducendo quello di orbita. Nel suo modello planetario infatti l'orbita del Sole interseca quelle di Mercurio, di Venere e di Marte, cosa che sarebbe impossibile se tali pianeti fossero trasportati nel loro moto da sfere cristalline. Inoltre la Terra, anche se rimaneva immobile, non era più il centro di rotazione di tutto l'Universo, che veniva ora assunto in massima parte dal Sole. Tycho Brahe riuscì grazie agli strumenti ottenuti dal Re Federico II a lasciare all'umanità un patrimonio di studi astronomici e matematici che verranno utilizzati nei 3 secoli successivi. Piace pensare che il suo contrasto delle teorie di Copernico sia stato voluto da Brahe proprio al fine di poter lasciare all'umanità questo grande patrimonio di conoscenza da sfruttare quando i tempi fossero stati maturi.

 

Johannes Keplero

 

A differenza di Brahe, suo maestro, Keplero (1571 - 1630) fu un accanito e convinto sostenitore del sistema copernicano. Fervente cristiano, si lasciò molto influenzare dalle sue credenze religiose e dal pensiero filosofico contemporaneo. Non ci fu forse mai un ricercatore scientifico che avesse tante ispirazioni come Keplero e che nello stesso tempo assumesse un atteggiamento così critico verso di esse; la cui immaginazione volasse così in alto e la cui mente restasse nondimeno così fredda; che si lasciasse tanto trasportare dalla propria immaginazione e fosse poi in grado di esaminare con sobrietà e pazienza se i suggerimenti di questa fossero effettivamente sostenibili. Solo questa combinazione di ispirazione ed esattezza rese il Pitagorismo veramente fecondo e mantenne il misticismo matematico al servizio della scienza. Misticismo, matematica, astronomia e fisica sono strettamente, anzi inestricabilmente associate nella sua mente. La prima ispirazione fu quella di vedere nell'Universo, finito, non solo l'opera di Dio ma la sua stessa Trinità. Il Sole, come centro immobile e fonte di attrazione, corrispondeva al Padre; la sfera delle stelle fisse, anch'essa immobile e che racchiude in sé il mondo e lo preserva, corrispondeva al Figlio; la forza motrice che dal Sole effonde in tutto l'Universo corrispondeva allo Spirito Santo. Ciò gli permise di vedere il Sole non solo come fonte di luce, ma anche come centro dell'Universo e causa prima del suo moto. Così, ispirandosi alla teoria di Gilbert (1544 - 1603) sul magnetismo, attribuì al Sole la capacità di trascinare con sé tutti i pianeti in virtù di forze magnetiche dovute ad una rotazione intorno al proprio asse. Poiché tali forze si esercitavano nel piano dell'orbita, esse avrebbero dovuto diminuire linearmente con la distanza, e ciò era in accordo, nell'ambito della dinamica aristotelica, con la presunta dipendenza della velocità lineare di ciascun pianeta sulla propria orbita dalla sua distanza dal Sole. La convinzione che l'Universo doveva essere stato creato prendendo a modello la perfetta armonia dei numeri e delle figure geometriche lo portò in un primo tempo a cercare di spiegare il numero dei pianeti (sei con la Terra) e le dimensioni delle loro orbite intorno al Sole mediante la successione delle sfere inscritte e circoscritte ai cinque solidi perfetti della geometria

La fervida immaginazione e il coraggio di abbandonare qualsiasi teoria davanti all'evidenza dei fatti, lo portò ad assumere dapprima che la velocità dei pianeti sull'orbita non fosse costante e successivamente che l'orbita non fosse circolare ma ellittica, con il Sole in uno dei suoi fuochi, distruggendo così definitivamente l'assioma platonico che imponeva ai pianeti solo moti circolari ed uniformi. Ottenne così (Astronomia nova, 1609) quelle che sono oggi note come le prime due leggi di Keplero.

 

1. Tutti i pianeti descrivono un'orbita ellittica, di cui il Sole occupa uno dei fuochi.

2. Il moto dei pianeti lungo l'orbita non avviene con velocità costante, ma è costante la velocità areolare, cioè l'area descritta nell'unità di tempo dal raggio vettore Sole-pianeta.

 

Infine, nel tentativo di giustificare i rapporti tra i semiassi delle orbite planetarie sulla base di semplici rapporti musicali (richiamandosi quindi all'idea pitagorica dei suoni celesti emessi dagli astri nel loro moto, suoni che l'uomo non avverte in quanto abituato fin da bambino ad ascoltare) trovò la relazione tra i tempi di rivoluzione e la lunghezza dei semiassi maggiori per le orbite di tutti i pianeti, relazione che costituisce la sua terza legge e che fu proprio annunciata alla fine del trattato Harmonices mundi del 1619.

 

3. Il rapporto tra il quadrato del periodo di rivoluzione e il cubo del semiasse maggiore dell'orbita è lo stesso per tutti i pianeti.

 

Galileo Galilei

 

Le scoperte che Galileo fece puntando verso il cielo il cannocchiale (perspicillum), distrussero definitivamente l'ultimo baluardo del pensiero scientifico aristotelico: la distinzione tra il mondo terrestre corruttibile e quello celeste incorruttibile. Le prime osservazioni risalgono all'autunno del 1609. Ai primi di gennaio dell'anno successivo aveva già fatto scoperte eccezionali: la Luna appariva simile alla Terra, con monti ancora più alti, la Via Lattea altro non era che un insieme di innumerevoli stelle e, cosa ancora più importante, esistevano quattro corpi erranti che non ruotavano, neppure apparentemente, intorno alla Terra, ma intorno ad un altro pianeta: i quattro satelliti di Giove. Conscio dell'importanza e del valore rivoluzionario di queste osservazioni, si recò personalmente a Venezia per far stampare un primo opuscolo. Il 12 marzo dello stesso anno (1610) usciva, in latino, il Sidereus Nuncius .

 

... Grandi invero sono le cose che in questo breve trattato io propongo alla visione e alla contemplazione degli studiosi della natura. Grandi, dico, sia per l'eccellenza della materia per se stessa, sia per la novità loro non mai udita in tutti i tempi trascorsi, sia anche per lo strumento, in virtù del quale quelle medesime cose si sono rese manifeste al senso nostro. Gran cosa è l'aggiungere, sopra la moltitudine delle stelle fisse che fino ai nostri giorni si son potute scorgere con la naturale facoltà visiva, altre innumerevoli stelle non mai scorte prima d'ora, ed esporle alla vista in numero più di dieci volte maggiore di quelle già note [...] Bellissima cosa, e oltremodo a vedersi attraente, è il poter rimirare il corpo lunare, da noi remoto per quasi sessanta diametri terrestri, così da vicino, come se distasse soltanto due di dette misure; ... e quindi con la certezza che è data dall'esperienza sensibile, si possa apprendere non essere affatto la Luna rivestita di superficie liscia e levigata, ma scabra e ineguale, e allo stesso modo della Terra, presentarsi ricoperta in ogni parte di grandi prominenze, di profondi valli e di anfratti.

 

La Terra non era più la sola parte corruttibile dell'Universo. Almeno un altro corpo, di quelli che facevano parte dell'Universo incorruttibile, è simile alla Terra, con le stesse pianure e gli stessi monti, e, probabilmente, costituita dagli stessi elementi.

 

Ma quello che supera di gran lunga ogni immaginazione, e che ci ha spinti a farne avvertire tutti gli astronomi e filosofi, è l'aver noi scoperto quattro stelle erranti [pianeti] da nessun altro prima di noi conosciute né osservate, le quali,..., han lor propri periodi intorno a una certa Stella principale del numero di quelle conosciute [Giove], e ora la precedono, or la seguono, senza mai allontanarsi da essa, fuor dei loro limiti determinati.

 

Consapevole delle reazioni che quest'ultima scoperta avrebbe avuto, specialmente negli ambienti scientifici aristotelici, egli pensò di dedicarla al Gran Duca di Toscana, chiamando i quattro pianeti, astri medicei.

 

Le qual cose furono tutte da me ritrovate e osservate mediante un cannocchiale che io escogitai, illuminato dalla Divina Grazia.

 

In realtà Galileo non inventò il cannocchiale, di cui ne ebbe notizia tramite un mercante che lo aveva visto in Olanda, ma si limitò a costruirne nell'estate del 1609, in modo autonomo, vari esemplari.

Non risparmiando fatica né spesa (arrivai a costruire) uno strumento così eccellente che le cose viste attraverso di esso appaiono ingrandite quasi mille volte e più di trenta ravvicinate. Oltre alle osservazioni, già menzionate, ve ne era un'altra molto importante in quanto distruggeva la più suggestiva, per quei tempi, delle obiezioni di Ticho Brahe al sistema copernicano. E prima di ogni altro, un fatto è degno di attenzione, che cioè le stelle, tanto fisse che erranti, quando si osservano col cannocchiale non sembrano affatto aumentare di grandezza nella medesima proporzione secondo cui gli altri oggetti, ed anche la Luna, s'ingrandiscono: nelle stelle tale aumento appare di gran lunga minore... E la ragione di ciò è questa, che quando gli Astri sono guardati con la libera e naturale facoltà visiva, non ci offrono secondo la loro semplice, e per così dire, nuda grandezza, ma irradiati da certi fulgori, e da brillanti raggi chiomati, e ciò massimamente a notte inoltrata; per il che sembrano di gran lunga maggiori, che se fossero spogli da quei crini acquisiti; poiché l'angolo visivo è determinato non dal corpuscolo primario, ma dallo splendore largamente circonfuso.

 

 

 

Il cannocchiale riduceva così il diametro angolare delle Stelle da due minuti a pochi secondi e le conclusioni di Brahe circa le assurde dimensioni che avrebbero avuto le stelle se la Terra fosse in movimento intorno al Sole non erano più valide. Anche dopo la pubblicazione del Sidereus Nuncius, Galileo continuò le sue osservazioni del cielo. Studiò Saturno, che gli apparve come costituito da tre corpi uniti insieme (sarà Huygens, alcuni anni più tardi, a scoprire la vera natura di Saturno contornato dai famosi anelli), e Venere, di cui osservò le fasi simili a quelle della Luna, confermando quindi il fatto che essa doveva necessariamente ruotare intorno al Sole. Quest'ultimo risultato non solo confermava la validità fisica del modello copernicano (ma anche di quello ticonico), ma rendeva conto di un aspetto che molti astronomi usavano come prova contro tale modello: la luminosità quasi costante di Venere, che suggeriva una sua distanza pressoché costante rispetto alla Terra. In effetti, anche se le dimensioni di Venere variano notevolmente, la sua luminosità complessiva (la sola apprezzabile ad occhio nudo) è praticamente costante in quanto alla minima dimensione corrisponde la massima illuminazione della parte rivolta verso la Terra

Successivamente Galileo puntò il cannocchiale verso il Sole, osservandone l'immagine proiettata su uno schermo bianco; osservò le macchie solari e ne studiò sistematicamente il loro moto, limitandosi, questa volta, a comunicarne i risultati ad alcuni amici in forma privata.

 

Isaac Newton

 

Come disse poeticamente il Foscolo nei Sepolcri, le vie del firmamento erano ormai sgombre e su queste Newton tanta ala vi stese. Ma la formulazione della nuova visione del mondo non fu opera di un solo uomo. Ad essa contribuirono Cartesio (1596 - 1650), che diede del principio di inerzia una formulazione corretta, Huygens (1629 - 1695), che mostrò la presenza di una accelerazione centripeta nel moto circolare uniforme e ne ricavò l'espressione, e Hooke (1635 - 1730), che contemporaneamente a Newton (1642 - 1727) intuì la forza gravitazionale esercitata dal Sole sui pianeti. Newton, partendo dalla legge fondamentale della dinamica, da lui introdotta insieme al principio di inerzia e a quello di azione e reazione, fu in grado di mostrare che la stessa forza che fa cadere i corpi sulla superficie della Terra fa muovere la Luna lungo la sua orbita intorno alla Terra. Tale moto infatti è una continua caduta verso la Terra, impedita dalla presenza di una velocità iniziale tangenziale di intensità sufficiente.

 

Utilizzando le leggi di Keplero egli fu in grado di mostrare che tra il Sole e i pianeti, così come tra la Terra e la Luna, e tra la Terra e un sasso, esiste una forza attrattiva la cui intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Infatti se consideriamo ad esempio l'interazione tra il Sole e la Terra e assumiamo per semplicità un orbita circolare, l'attrazione che agisce sulla Terra deve essere diretta verso il Sole e la sua intensità f deve essere eguale alla forza centripeta necessaria per mantenere la Terra di massa m sull'orbita,

 



da cui tenendo conto della terza legge di Keplero



Ma per il terzo principio, una forza uguale e contraria deve agire sul Sole di massa M per effetto della Terra,



da cui


 

che costituisce la legge di gravitazione universale. La nuova scienza era ora in grado di giustificare, da principi primi, il modello copernicano.