GALILEO E I DUE MASSIMI SISTEMI DEL MONDO A cura di A. Mazzella per la celebrazione dell’Anno Galileiano - nov. 2009

La fisica aristotelica Per fisica Aristotele (384-322 aC) intendeva lo studio della Natura, inanimata e vivente (dalla fisica propriamente detta, all’astronomia, alla geologia, alla biologia e alla chimica) In Aristotele lo studio della Natura comincia a stagliarsi da quello della “filosofia prima” per indagare sulle cause dei fenomeni, sia pure senza un approccio matematico La fisica o “filosofia seconda” ha per oggetto lo studio delle realtà sensibili e mobili, che hanno in sé il principio del moto e della quiete.

La fisica aristotelica Nel Cosmo vi è un principio di ordine in virtù del quale ogni cosa in esso è gerarchicamente predeterminato ed ordinato. Principio teleologico: tutto quanto accade nel cosmo si compie per un dato fine; l’universo è il risultato di un disegno prestabilito e la sua armonia è frutto di una intelligenza modellatrice: ogni cosa in natura è fatta per un fine!

La fisica aristotelica Aristotele divide il mondo fisico in due realtà ben distinte: il mondo sublunare e quello celeste (modello dei 2 mondi) Il primo è costituito da 4 elementi: terra, acqua, aria, fuoco Il secondo, quello celeste, è costituito da una quinta essenza: l’etere; non è soggetto alle prime 3 forme di mutamento, quindi è ingenerabile, inalterabile, immutabile

La fisica aristotelica MONDO SUBLUNARE 4 elementi: 2 pesanti (terra-acqua) + 2 leggeri (aria-fuoco) La mescolanza dei 4 elementi conferisce pesantezza o leggerezza ai corpi Vi è continuo mutamento (nascita-morte; generazione–corruzione) Moto rettilineo (che ha inizio e fine) per cause naturali o moto di un proiettile per cause violente Il moto rettilineo è un moto imperfetto, ha inizio (potenza) e fine (atto). MONDO CELESTE quinto elemento: etere L’ etere è una sostanza trasparente, imponderabile ed immutabile Eternamente immutabile, perché ingenerabile Moto circolare (che non ha né inizio né e fine, infatti ogni punto della circonferenza è inizio e fine allo stesso tempo) Il moto circolare è perfetto quindi eterno.

La fisica aristotelica MOTO PER ARISTOTELE NON INDICA SOLO UN MUTAMENTO DI LUOGO (MOTO LOCALE) MA ANCHE L’ ALTERAZIONE SIA QUALITATIVA O ANCHE QUANTITATIVA DELLE COSE

Universo aristotelico L’universo consiste in una serie di 55 sfere cristalline concentriche rotanti in moto uniforme tra la terra e quella più esterna (il cielo delle stelle fisse), il loro combinarsi spiega il moto degli astri La prima sfera, quella più esterna, comprende in sé ogni cosa, al di fuori di essa non può esserci né luogo, né spazio Il luogo non viene inteso come una realtà assoluta, bensì come qualcosa di relativo ai corpi cioè in relazione ad essi Di qui la teoria dei “luoghi naturali” secondo la quale i corpi formati da acqua e da terra tendono naturalmente verso il basso e quelli fatti di fuoco ed aria verso l’alto.

Universo aristotelico Il “basso” pertanto non può essere che il centro della terra e quindi anche centro di tutto l’universo sulla sfera estrema si trovano le cosiddette stelle fisse, dotate di un unico moto, come se fossero tutte infisse su una sola sfera a questo modello si oppose Aristarco (III sec a.C.) che fu il primo a proporre il modello eliocentrico, ma fu tacciato di empietà e non ebbe seguito nella scienza greca. In sintesi : L’universo aristotelico è eterno, unico, finito e perfetto e non può esserci una cosmogonia perché eternamente identico.

Il sistema tolemaico Lo schema dell’universo aristotelico non è in grado di spiegare i dettagli dei moti, come il moto retrogrado (a fianco, il moto di Marte), e soprattutto non consente di calcolare le posizioni dei pianeti nel tempo Il sistema proposto da Tolomeo (100-175 dC) raccoglieva secoli di osservazioni astronomiche condensandole in una struttura geocentrica molto complessa, frutto di una lunga evoluzione e di notevoli conoscenze geometriche Esso descriveva ogni orbita con un sistema di moti circolari sovrapposti e ricorreva a diversi accorgimenti per spiegare l’irregolarità dei moti.

Spiegazione del moto retrogrado secondo il modello eliocentrico:

Il sistema tolemaico Deferenti, epicicli nel sistema tolemaico: Il pianeta si muove di moto circolare uniforme su un cerchio, detto epiciclo, ed il centro di questo cerchio a sua volta si muove attorno alla terra su un altro più grande cerchio, detto deferente. La combinazione del moto dell’epiciclo e del deferente consente di spiegare abbastanza correttamente sia il moto retrogrado, sia la variazione di luminosità subita dal pianeta durante il moto retrogrado (che diventa più luminoso per la maggior vicinanza alla terra).

SPIEGAZIONE DEL MOTO RETROGRADO CON I 2 MODELLI Modello Geocentrico Modello Eliocentrico Entrambi i modelli riescono a descrivere il moto retrogrado, ma il modello eliocentrico spiega in modo semplice e automatico il fatto che l’inversione si manifesta quando il pianeta è opposto al Sole.

Il sistema tolemaico Eccentrici ed equanti nel sistema tolemaico: L’introduzione degli epicicli si mostrò insufficiente per descrivere correttamente il moto di tutti i pianeti Un esempio di irregolarità del moto è il diverso intervallo di tempo che separa i due equinozi: inverno 179 giorni (23.9-21.3) estate 186 giorni (21.3-23-9) Volendo spiegare queste “irregolarità” con soli moti circolari uniformi, Tolomeo dovette ricorrere all’ipotesi che il centro del deferente non è la terra, ma un altro punto C detto eccentrico, ed il moto del pianeta diveniva circolare uniforme se visto dal punto Q, equante. terra

Il sistema tolemaico Pur nella complessità del sistema, soprattutto per l’aspetto geometrico, il modello tolemaico era in grado di effettuare previsioni abbastanza corrette sulla posizione dei pianeti nella loro evoluzione temporale Questo sarà il suo punto di forza per tutto il medio evo, imponendosi soprattutto dopo il mille nelle nascenti università europee A seguito della sintesi culturale operata da Tommaso D’ Aquino tra la tradizione cristiana ed il pensiero aristotelico, il modello tolemaico venne accettato universalmente dalla Chiesa, che l’assunse quale teoria cosmologica ufficiale.

LA RIVOLUZIONE COPERNICANA Con l’ Umanesimo si diffondono in Europa gli studi filologici e la lingua greca ritorna ad essere coltivata; ciò ha favorito la riscoperta di opere classiche ormai dimenticate, tra queste la teoria eliocentrica di Aristarco (riportata da Archimede) Copernico (1473-1543) non ha lasciato una chiara indicazione di come sia giunto a pensare ad un sistema planetario eliocentrico, nel manoscritto del suo De Rivoluzionibus Orbium Coelestium (1530) affermava che questa idea risaliva ai tempi antichi, fu sostenuta già dai pitagorici ed in particolare da Aristarco; ma nella versione di stampa questo riferimento ad Aristarco scomparve.

LA RIVOLUZIONE COPERNICANA Il suo giudizio sul sistema tolemaico è netto: il sistema tolemaico, seppure in grado di fare previsioni, faceva ricorso a troppi artifici … “… posto un qualche moto della Terra, si potessero trovare per le rivoluzioni dei corpi spiegazioni più valide di quelle degli astronomi precedenti.” Le IPOTESI di COPERNICO : La Terra compie una rotazione completa attorno al proprio asse in circa 24 ore La Terra non è centro dell’universo e compie una rivoluzione attorno al sole in un anno I pianeti insieme alla Terra ruotano su orbite circolari attorno al Sole che è centro dell’Universo

LA RIVOLUZIONE COPERNICANA Tra il 1500 ed il 1600 la concezione del mondo celeste viene rivoluzionata grazie al contributo di N. Copernico, G. Keplero e G. Galilei Già nel 1572 Tycho Brahe aveva osservato una stella “nova” nella costellazione di Cassiopea, che divenuta nell’arco di 2 anni estremamente brillante, era poi scomparsa Anche Keplero nel 1604 aveva osservato un’altra stella “nova”… l’universo allora non era eternamente identico !

IL SISTEMA di TYCHO Nel 1576 il re di Danimarca mette a disposizione di Tycho una intera isola vicino Copenaghen su cui viene costruito un immenso osservatorio (ad occhio nudo): Uraniborg In 20 anni di intensa attività Tycho accumula una immensa mole di osservazioni astronomiche (che serviranno a Keplero per l’elaborazione delle sue tre leggi) Sulla base dei dati in suo possesso elabora un terzo massimo sistema: il Sole e la Luna ruotano attorno alla Terra, centro dell’universo, mentre Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno diventano satelliti del Sole Un evidente compromesso tra il sistema geocentrico ed eliocentrico; avrà più fortuna tra i teologi che tra gli scienziati.

IL CONTRIBUTO di GALILEO Nel gennaio 1610 Galileo, utilizzando per la prima volta il cannocchiale per osservazioni astronomiche, scopre che Giove ha 4 satelliti, quindi non solo la terra è centro di rotazione di altri corpi celesti … “ Pertanto il giorno 7 gennaio 1610, alla prima ora della notte seguente, mentre guardavo gli astri celesti col cannocchiale, mi si presentò Giove … mi accorsi che gli stavano accanto tre stelline … mi destarono una qualche meraviglia per il fatto che apparivano disposte su una linea retta … la loro disposizione rispetto a Giove era la seguente:

IL GENIO SPERIMENTALE di GALILEO Galileo aveva alloggiato sul suo cannocchiale (3-30 ingrandimenti) un disco reticolato in modo da poterlo spostare sia lungo l’asse del telescopio, sia ruotare attorno al centro di quest’ultimo. Mentre con un occhio osservava Giove, con l’altro fissava il reticolo. Ben presto, grazie alla rielaborazione del cervello, le due immagini si sovrapponevano. A questo punto l’ osservatore muoveva il reticolo fin quando l’immagine di Giove non occupava parte di esso, misurandone così in unità convenzionali il diametro. Così tutte le misure delle distanze dei satelliti di Giove venivano espresse nella stessa unità, consentendo valutazioni quantitative delle loro posizioni.

Le lune di Giove “Il giorno 11 vidi la disposizione seguente:” “Fu pertanto da me stabilito, e fuor d’ogni dubbio concluso, esserci nel cielo tre stelle vaganti intorno a Giove, a somiglianza di Venere e Mercurio intorno al Sole; il che finalmente fu osservato in modo più chiaro in altre successive osservazioni; né soltanto tre, ma quattro esser le stelle vaganti a compiere le loro circonvoluzioni intorno a Giove …” 4

Le lune di Giove “Abbiamo inoltre un ottimo ed eccellente argomento per togliere di scrupolo coloro che, pur accettando con animo tranquillo nel Sistema Copernicano la rivoluzione dei Pianeti intorno al Sole, sono però così turbati dalla rotazione della sola Luna intorno alla Terra … perché ora, non più abbiamo un sol Pianeta rotante intorno ad un altro, mentre ambedue percorrono una grande orbita intorno al Sole, bensì quattro Stelle l’esperienza sensibile ci mostra erranti intorno a Giove, a somiglianza della Luna intorno alla Terra, mentre tutte insieme a Giove, nello spazio di 12 anni, tracciano un gran giro intorno al Sole”. 4

L’ OSSERVAZIONE DELLA SUPERFICIE LUNARE L’uso del cannocchiale consente a Galileo anche di compiere una esplorazione attenta della superficie lunare che riporta nei disegni pubblicati nel Siderus Nuncius. La Luna non si presentava “levigata, uniforme ed esattamente sferica come gran numero di filosofi credette di essa, ma ineguale, scabra e con molte cavità e sporgenze, non diversamente dalla faccia della Terra, variata di catene di monti e profonde valli”. Quindi un corpo celeste tutt’altro che perfetto!

IL SIDEREUS NUNCIUS Galileo nel marzo del 1610 pubblica a Venezia il “Sidereus Nuncius” dedicandolo al Granduca di Toscana, l’impatto che questa opera ha sul mondo scientifico europeo è enorme, Keplero paragonerà Galileo a Cristoforo Colombo In sintesi questa opera raccoglie tutte le scoperte galileiane svolte in quegli anni in campo astronomico : Le osservazioni sulla superficie lunare Il nuovo scenario celeste che si apriva all’osservazione col cannocchiale La consistenza stellare della Via Lattea e di altre nebulose non visibili ad occhio nudo L’argomento principe: la scoperta delle lune di Giove Le considerazioni finali sul sistema copernicano.

L’OSSERVAZIONI delle FASI di VENERE Galileo nel 1611 comunica a Giuliano dei Medici due scoperte: la differenza tra i pianeti e le stelle e Venere che presenta delle fasi simili a quelle della luna: novilunio, I° quarto, plenilunio, ultimo quarto. Galileo aveva notato che Venere in fase calante appariva “falcata” in modo sempre più sottile, fino a scomparire. (Il modello geocentrico prevedeva invece che Venere si presentasse solo in fase crescente). “Venere necessariamente si volge intorno al Sole, come anco Mercurio e tutti li altri pianeti, cosa ben creduta da i Pittagorici, Copernico, Keplero e me… avranno dunque il Sig.Keplero e gli altri Copernicani di aver creduto e filosofato bene”.

L’OSSERVAZIONE DELLE MACCHIE SOLARI Tra il 1611 ed il 1613, anno della pubblicazione della “Historia e dimostrazioni intorno alle macchie solari”, Galileo si concentra su una questione che darà il colpo di grazia alla concezione cosmologica aristotelica Il gesuita C. Scheiner aveva attribuito queste macchie all’ombra di corpi interposti tra la Terra ed il Sole (una ipotesi artefatta per salvare il carattere incorruttibile e perfetto del corpo celeste ) Galileo da abile sperimentatore congegna un sistema di proiezione col quale è in grado di seguire l’evoluzione temporale delle macchie solari su foglio In questo modo è in grado di poter affermare che le macchie sono contigue alla superficie solare ed il loro moto non è dovuto al moto di corpi esterni, ma al movimento del Sole che ruota su se stesso in circa un mese.

GALILEO e la CHIESA Nello stesso anno Galileo rivolgendosi all’Accademia dei Lincei liquida le antiche credenze sulla perfezione ed immutabilità dei corpi celesti dicendo: ”il funerale o più tosto l’estremo et ultimo giuditio della pseudofilosofia” Sul finire del 1613 la compatibilità tra il sistema copernicano e le sacre scritture diventa argomento di discussione accesa alla corte medicea e successivamente la polemica raggiunge S. Maria Novella in Firenze. Nel 1614 Galileo viene denunciato all’Inquisizione. La questione si complica nel 1615 con la pubblicazione di un libro di un carmelitano P.Foscarini che difendeva il copernicanesimo dall’accusa d’incompatibilità con la Bibbia; il cardinal Bellarmino, interpellato, afferma: ” né è li stesso dimostrare che supposto ch’il sole stia nel centro e la Terra nel cielo, si salvino le apparenze, e dimostrare che in verità il sole stia nel centro e la Terra nel cielo; perché la prima dimostrazione credo che ci possa essere, ma della seconda ho grandissimo dubbio” ed aggiunge che qualora tale prova fosse certa, allora la Bibbia andrebbe reinterpretatata.

La CONDANNA del COPERNICANESIMO Nel marzo del 1616 la Congregazione dell’Indice proibisce il libro di Copernico e la pubblicazione di Foscarini, ma di Galileo non si fa parola Nel maggio del 1616 Galileo, che intanto ha raggiunto a Roma il Cardinal Bellarmino, riceve una memoria scritta nella quale gli viene notificato che ”la dottrina attribuita al Copernico sia contraria alle Sacre Scritture, et però non si possa difendere né tenere” Questo documento più che essere un ammonimento per Galileo , dati i buoni rapporti che intercorrevano con Bellarmino, serviva ad allontanare dallo scienziato le accuse di eresia, tenendo a bada le tante invidie che nel frattempo aveva attirato su di sé Nel 1623 pubblica il Saggiatore , dedicato al nuovo papa Urbano VIII, che da cardinale aveva preso le sue difese ; “La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l’universo) … è scritto in lingua matematica , e i caratteri sono triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche … senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto”.

DIALOGO sui MASSIMI SISTEMI Nel 1632 pubblica il “Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo”; nella II giornata si discute delle prove sul moto della Terra, attraverso la caduta di un grave da una torre. Il fatto che il grave colpisca il piede della verticale senza spostarsi non prova la validità né della teoria copernicana, né della tolemaica, in quanto il corpo nel cadere, pur possedendo una velocità orizzontale, per effetto della relatività del moto,cade comunque ai piedi della torre. “Rinserratevi con qualche amico … sotto coverta di alcun gran navilio … pur che il moto sia uniforme voi non riconoscerete una minima mutazione…” Se in questo passo Galileo non sembra prendere posizione rispetto ai due massimi sistemi, poco dopo, interrogatosi sulla causa della caduta dei gravi , sostiene che quel principio sconosciuto che fa muovere la Terra è simile a quello che fa muovere Marte, Giove e la sfera stellata: con questa affermazione Galileo aveva abbattuto la barriera aristotelica interposta tra i due mondi, aprendo la strada ad una teoria unificata!

La CONDANNA di GALILEO La pubblicazione del Dialogo crea molti dissapori tra i teologi, ed anche in Urbano VIII. Ben presto, anche per la pressione di buona parte della curia romana, il papa istituisce una commissione di inchiesta, che , speculando sulla memoria del 1616, considera Galileo reo di aver disobbedito al S. Uffizio nel diffondere tesi eretiche sul moto della Terra. Nel febbraio del 1633 Galileo giunge a Roma davanti al S. Uffizio; nel giugno dello stesso anno è costretto alla abiura in S. Maria sopra Minerva. Viene confinato ad Arcetri, dove muore nel 1642. Prima di avere un monumento funebre in S. Croce a Firenze ha dovuto attendere ben un secolo, infatti solo nel 1736 viene collocato dove si trova ancora oggi ! 30