Galileo Galilei e la nuova concezione dell’Universo Classe: III Scientifico Prof. Grazia De Troia

Galileo Galilei (Pisa 1564- Arcetri1642)

Circa 400 anni fa nel 1609 Galileo puntò per la prima volta il suo canna-occhiale non in orizzontale durante il giorno per osservare il paesaggio, ma in alto, di notte verso il cielo stellato e diede così inizio al processo di radicale evoluzione della nostra visione del mondo e dell’universo. Prima di Galileo l’Universo era molto piccolo: come in una cipolla la Terra era immaginata al centro di sfere di cristallo su cui erano incastonati la Luna, il Sole e le stelle.

Tutto inizia a cambiare quando Galileo punta il suo prototipo di telescopio verso la Via Lattea, scoprendo con grande stupore che era composta da migliaia di stelle, non risolvibili ad occhio nudo, ma che si rendono perfettamente visibili alla visione telescopica. Da quel momento inizia il lento processo che porterà dal canna-occhiale, il cui modello migliore si ritiene avesse massimo 30 ingrandimenti, alla costruzione di telescopi via via sempre più grandi e raffinati che allargheranno le dimensioni dell’universo fino agli attuali 15 miliardi di anni.

Teoria tolemaica o geocentrica La Terra è al centro dell’universo e il sole, i pianeti e tutte le altre stelle girano intorno. Più precisamente gli astri non ruotavano intorno al centro della Terra: l’errore sarebbe stato facilmente rilevato. Il centro delle orbite era dei punti che ruotavano intorno alla Terra. Il movimento di questi punti era ipotizzato in modo tale che i calcoli coincidevano con le osservazioni: i calcoli erano molto complicati, ma erano perfettamente compatibili con le osservazioni. Per questo fu così difficile capire che in realtà la teoria tolemaica era concettualmente sbagliata.

La teoria eliocentrica Nel 1543 l’astronomo polacco Copernico pubblicò un’opera in cui mostrava che se si fosse supposto il Sole al centro i calcoli risultavano molto più semplici. Nacque così la teoria eliocentrica di cui Galilei fu un grande sostenitore. La teoria eliocentrica subì forti obiezioni da parte del mondo scientifico di allora.

Le obiezioni principali: I calcoli delle due teorie si equivalevano, mancava perciò una evidenza sperimentale a sostegno della nuova teoria Se la Terra si muove perché non ce ne accorgiamo? Gli uccelli dovrebbero vedersi arrivare addosso gli edifici, il mare sarebbe scagliato contro le montagne Se il cielo e la Terra seguono le stesse leggi allora perché gli astri non ci cadono addosso?

IL PRINCIPIO DI INERZIA Se la Terra si muove dovremmo accorgercene? NO! Esperimento della nave, dal Dialogo sopra I due massimi sistemi del mondo: “Riserratevi con qualche amico nella maggiore stanza che sia sotto coverta di alcun gran navilio, e quivi fate d'aver mosche, farfalle e simili animaletti volanti…. …e stando ferma la nave, osservate diligentemente come quelli animaletti volanti con pari velocità vanno verso tutte le parti della stanza… …fate muover la nave con quanta si voglia velocità; ché (pur che il moto sia uniforme e non fluttuante in qua e in là) voi non riconoscerete una minima muta- zione in tutti li nominati effetti, nè da alcuno di quelli potrete comprender se la nave cammina o pure sta ferma.”

In realtà la Terra non si muove con moto rettilineo uniforme ma, sostanzialmente, se ammettiamo il principio di inerzia  ci spieghiamo perchè non riusciamo a renderci conto che la Terra è in movimento, così come in un aereo (che avesse tutti i finestrini chiusi) non potremmo mai sapere se ci muoviamo o siamo fermi. Ma per i dotti del tempo era veramente difficile capire le argomentazioni galileane che a noi sembrano chiare (ma forse nemmeno a noi…)

Se le leggi che reggono il mondo terrestre sono uguali a quelle che reggono gli astri allora cosa impedisce al sole e alla luna di caderci addosso, quale è la forza misteriosa che li tiene sospesi nell'alto? Cosa impedisce la catastrofe della collisione? In questo caso nel 600 non c'era alcuna spiegazione: essa sarà trovata circa cinquanta anni anni dopo da Newton con la scoperta della legge della gravitazione universale che rese effettivamente comprensibile tutto il sistema degli astri ma per il momento la constatazione  che i corpi pesanti cadessero verso il basso restava inspiegabile se non c'era più "il basso"

La grandezza di Galileo sta nel suo approccio alla Natura, del tutto nuovo e moderno come lo sarà quello di Einstein La chiara comprensione che egli ebbe della legge di inerzia e dell’invarianza dei fenomeni osservati in sistemi in moto traslatorio uniforme, dimostrano la profondità del suo pensiero

ISAAC NEWTON (1642 – 1727) L'importanza dell'opera di Newton nella storia della scienza è capitale. I suoi studi sono fondamentali per la nascita dell'ottica moderna, del calcolo infinitesimale, della meccanica che, non a caso, viene detta "newtoniana", nonché della cosmologia. Con la sua opera, Newton fu in grado di unificare, in una sintesi armonica ed omogenea, il mondo terrestre con quello celeste: egli dimostrò, infatti, che i corpi che cadono "naturalmente" sulla Terra e i moti dei corpi celesti obbediscono ad una sola grande legge: la legge di gravitazione universale.

Alla base della teoria di Newton vi sono tre assiomi, o leggi del moto: Principio di inerzia (Galileo!) Il cambiamento del moto è proporzionale alla forza motrice impressa (F=ma) Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria (terzo principio della dinamica) Nel terzo libro dei Principia Newton affrontò i fenomeni astronomici: il moto dei pianeti e dei corpi celesti.

Newton riesce a spiegare quantitativamente il moto dei pianeti e dei satelliti nel sistema solare usando solamente la teoria della Gravitazione universale Fu un’impresa colossale, difficile dal punto di vista matematico e basata su poche osservazioni disponibili. La meccanica newtoniana ebbe un notevole successo tra gli scienziati dell’epoca. In particolare I successi ottenuti nel campo della meccanica celeste furono enormi.

Per oltre due secoli la meccanica newtoniana spiegò tutti i particolari dei moti planetari. Furono spiegate perfino anomalie che fino ad allora sembravano inspegabili Intorno al 1846 due scienziati Le Verrier e Adams giunsero indipendentemente alla predizione dell’esistenza di un nuovo pianeta, Nettuno, grazie allo studio delle perturbazioni dell’orbita di Urano. La loro previsione fu confermata dall’osservazione del nuovo Pianeta.

La meccanica newtoniana fu utilizzata per spiegare anche l’anomalia nel moto del perielio di Mercurio. Ma questa volta non riuscì nell’impresa. Primi segni che la meccanica newtoniana forse non poteva spiegare tutto Ci vollero due secoli prima che Einstein rivoluzionasse il concetto di spazio e tempo con la relatività generale. La spiegazione del moto del perielio di Mercurio fu uno dei più grandi successi pratici della teoria della relatività generale

La sintesi newtoniana Sfruttando gli studi sul moto di Galileo e le leggi della dinamica da lui stesso enunciate, Newton potè spiegare il moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole. Per determinare con precisione le traiettorie descritte dai pianeti Newton introdusse il calcolo infinitesimale, arrivando a determinare traiettorie ellittiche come quelle trovate da Keplero Le tre leggi di Keplero Le orbite dei pianeti sono delle ellissi di cui il Sole occupa uno dei fuochi Il raggio vettore Sole-pianeta spazza aree uguali in tempi uguali K=T2/R3

Le prove a favore del sistema eliocentrico Il sistema fisico-cosmologico di Newton convinse in breve tempo la comunità scientifica, per la sua coerenza, razionalità e universa lità. Tuttavia mancavano prove sperimentali 1726 Aberrazione della luce stellare: J. Bradley cercò di determinare con precisione la posizione della stella Gamma Draconis e notò che mutava con andamento oscillatorio di periodo annuo, il periodo di rivoluzione terrestre 1838 Parallasse annua: Bessel misurò l’angolo di parallasse annuo della stella 61 Cygni

Aberrazione stellare

Con la sua teoria della gravitazione universale Newton risolse una delle obiezioni alla teoria eliocentrica: perchè il sole e gli altri pianeti non ci cadono addosso. Newton portò a compimento quella che fu chiamata rivoluzione Copernicana, i cui passi più importanti furono: L’ipotesi eliocentrica di Copernico Le leggi di Keplero Le osservazioni astronomiche (Tycho Brahe) La metodologia sperimentale, la caduta dei gravi e il principio di inerzia di Galileo Le leggi della dinamica e la gravitazione universale di Newton

“Se ho visto più lontano è perchè stavo sulle spalle di giganti”, Isaac Newton