Storia dell'astronomia


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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.

 

 

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.