La rivoluzione copernicana

Presentazione sul tema: "La rivoluzione copernicana"— Transcript della presentazione:

1 La rivoluzione copernicana

2 Introduzione “Quando siamo seduti di notte sotto il cielo stellato, nel quale contrastano l’eterno buio del vuoto e la gelida luce delle stelle, non possiamo non porci delle domande”. È questa la frase, semplice e coinvolgente, dalla quale, in tempi lontanissimi, è partito lo studio dei fenomeni celesti. Le discipline che si occupano di questo studio sono l’astronomia e l’astrofisica. L’astronomia è nata con finalità pratiche, in un tempo in cui non esistevano ancora le bussole era di fondamentale importanza orientarsi conoscendo la posizione dei corpi celesti. Come accadde però per molte scienze, si passò da conoscenze con fini pratici a conoscenze teoriche. L’astronomia progredì nella Grecia del V secolo con Aristotele. Dopo un periodo di splendore però l’astronomia attraversò una fase di crisi(coincidenti più o meno con il medioevo) a causa della Chiesa: le ipotesi Aristoteliche ben si conciliavano con l’universo descritto dalla Bibbia e quindi ogni tentativo di modificare il sistema aristotelico significava immediatamente commettere un’eresia. Nel XVI secolo le cose, almeno per quanto riguarda gli scienziati, cambiarono: Nicolò Copernico pubblicò le sue tesi su un universo eliocentrico e, anche se queste tesi vennero osteggiate e condannate dalla chiesa, diedero l’impulso agli scienziati che sarebbero venuti dopo: era l’inizio dell’astronomia moderna,destinata a grandi progressi anche grazie all’ ’integrazione dell’astrofisica.

3 Il cielo ad occhio nudo Quando per la prima volta Galileo puntò un cannocchiale verso il cielo era già l’anno del Signore Tutte le osservazioni fatte prima dell’avvento di questo fondamentale strumento avvenivano ad occhio nudo. Osservando il cielo ad occhio nudo si possono vedere diverse centinaia di stelle (in una notte con cielo terso e lontano da luci parassite se ne possono osservare anche più di tremila contemporaneamente);esse, a causa del movimento di rotazione della Terra, sorgono ad est e tramontano ad ovest in circa 12 ore, per poi risorgere di nuovo dopo altre 12 ore. Queste stelle hanno una caratteristica fondamentale: durante gli anni, mantengono pressoché invariate le loro posizioni reciproche tanto da meritarsi l’appellativo di “stelle fisse”. Poiché circa 90% di queste stelle si trovano in una fase stabile della loro vita (detta sequenze principale) la loro luminosità non varia; le altre 10% si trovano in una fase instabile che le porta a cambiare luminosità ma o in maniera non percepibile dall’occhio umano o con estrema regolarità: per queste ragioni si è pensato per anni che le “stelle fisse” fossero anche immutabili. Sopra lo sfondo di queste “stelle fisse” ci sono sette corpi che variano la loro posizione rispetto alle altre stelle. Gli antichi astronomi hanno dato a questi sette corpi il nome di pianeti. Ed in particolare, facendo riferimento ai miti, li hanno chiamati: Luna, Sole, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Oggi sappiamo che il Sole non è un pianeta ma è una stella come tutte le altre e che esistono altri tre pianeti ruotanti attorno ad esso ma quest’ultimi sono troppo deboli per essere visti ad occhio nudo.

4 Il sistema aristotelico
Aristotele fu il primo a dare un ordine all’universo. Partendo dal presupposto che la Terra fosse sferica (già avanzato secoli prima da Pitagora) e dando alla forma sferica significati mistici, concepì l’universo nel seguente modo esso è sferico e delimitato dalla sfera delle stelle fisse; la Terra occupa fissa il centro dell’universo; tra la Terra e le stelle fisse si muovono, trasportati da sfere di cristallo tutte concentriche alla Terra e man mano più grandi, i pianeti :Luna, Mercurio, Venere, Sole, Marte, Giove e Saturno. Per Aristotele i pianeti e le stelle erano costituiti dalla cosiddetta quintessenza: essa era immutabile e incorruttibile. Non aveva significato ricercare le cause del movimento dei pianeti: essi non essendo fatti delle stesse sostanze terrestri (acqua, aria, fuoco e terra) non erano soggetti alle leggi fisiche. L’ordine dei pianeti era determinato dal tempo che intercorre tra due passaggi del pianeta stesso per un punto prefissato. Questi tempi sono oggi i tempi di rivoluzione dei pianeti attorno al Sole, della Luna attorno alla Terra e della Terra attorno al Sole; l’ordine è il seguente: Luna (circa 1 mese), Mercurio (circa 3 mesi), Venere (circa 7 mesi e mezzo), Sole (1 anno), Marte (quasi 1 anno e 10 mesi), Giove (quasi 12 anni) e Saturno (più di 29 anni). Il movimento giornaliero dei corpi celesti da Est ad Ovest veniva spiegato dalla rotazione dell’universo in senso orario. Il fatto che la Terra occupasse una posizione privilegiata era testimoniato da due cose: una concezione del mondo fortemente antropocentrica (che durerà a lungo nel mondo scientifico e che ancora oggi persiste ); la spiegazione fisica della caduta dei corpi a terra veniva giustificata dal fatto che ogni corpo tendeva a raggiungere un luogo situato al centro dell’universo che coincideva sperimentalmente con quello della Terra. Il sistema aristotelico avrebbe avuto un’immensa fortuna nei secoli successivi (sebbene, come vedremo, leggermente modificato) rappresentando un modello di riferimento per scienziati europei (= Chiesa), arabi e per poeti: la struttura del Paradiso di Dante, ad esempio, ricalca fedelmente proprio il sistema aristotelico.

5 Rappresentazione del sistema aristotelico

6 Il sistema tolemaico Il sistema aristotelico era, dal punto di vista stilistico, perfetto. L’universo era dominato unicamente dalla forma sferica (perfetta) e i pianeti si muovevano di moto circolare uniforme. Tuttavia questa perfezione stilistica era in disaccordo con i dati visivi. Secondo il sistema aristotelico i pianeti dovevano muoversi di moto circolare uniforme; questo fatto comportava che durante ogni loro rivoluzione attorno alla Terra dovevano descrivere in cielo, rispetto alle “stelle fisse”, una circonferenza muovendosi a velocità costante. Questa velocità costante non era però osservata in nessun pianeta, ma soprattutto i tre pianeti più esterni (Marte, Giove e Saturno) sembravano rallentare tanto da fermarsi e addirittura tornare indietro (moto retrogrado) per poi riprendere, dopo qualche giorno, il loro normale senso di percorrenza. Il sistema aristotelico doveva essere modificato. Il modo in cui attuare questa modifica fu suggerito da Ipparco (II sec. a.C.). I suoi studi furono ampliati e approfonditi circa 300 anni dopo da Tolomeo (II sec. d.C.) e tale modo di concepire l’universo viene detto sistema Tolemaico. Secondo il sistema tolemaico la Terra è fissa al centro dell’universo,è delimitato dalla sfera delle “stelle fisse”.e i pianeti si muovono attorno alla Terra descrivendo una particolare curva (epicicloide) data dalla composizione di due moti circolari uniformi: ogni pianeta infatti descriveva un piccola orbita attorno ad un punto situato vicino al pianeta stesso (epiciclo); il centro di questa orbita, a sua volta, descriveva un orbita circolare più grande attorno alla Terra (deferente). In questo modo il sistema tolemaico cercava di dare una spiegazione (per la verità parecchio artificiosa) al moto retrogrado dei pianeti esterni. Ciò però aveva portato le leggi del moto dei pianeti ad una forma troppo complicata tanto che non si riuscì a rimpiazzare il molto più chiaro e semplice sistema aristotelico. Spiegazione fisica del moto retrogrado

7 Tolomeo (150 d.C.) Quali sono le combinazioni di moti circolari, con velocità uniforme, che possono spiegare tali peculiari variazioni a partire da un insieme coerente di moti regolari nel cielo? “Almagesto'', (in arabo: ''la più grande'')

8 Rappresentazione del sistema tolemaico

9 Il modello tolemaico: l’epiciclo e il deferente
… ecco come possano generarsi dei moti retrogradi (Ci vogliono almeno 2 frequenze –velocità angolari– indipendenti !!). Nell'esempio la velocità angolare del pianeta sull'epiciclo è doppia della velocità angolare del centro dell'epiciclo sul deferente 9

10 Esempi di moto epicicloidale tratti dalla vita di tutti i giorni….
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11 Il sistema copernicano
Il sistema aristotelico (modificato da Ipparco e Tolomeo) resistette per quasi 2000 anni. Dal punto di vista scientifico però neanche il sistema tolemaico poteva essere considerato esauriente. Non era servita a granché l’ultima modifica apportata dallo stesso Tolomeo al sistema, di spostare leggermente il centro dei deferenti dal centro della Terra, per poter spiegare le anomalie del moto dei pianeti. In un contesto di rinascita culturale (1500) si formò l’astronomo Nicolò Copernico(1473/1543 ,”De Revolutionibus orbium coelestium 1543). Egli propose (riprendendo per la verità alcuni filosofi e astronomi greci quali Aristarco) che non era la Terra al centro dell’universo ma il Sole (sistema eliocentrico): attorno al Sole (immobile) orbitavano nell’ordine Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove e Saturno; la Luna restava orbitante attorno alla Terra; i pianeti si muovevano di moto circolare uniforme trasportati da sfere materiali. Il limite dell’universo era sempre costituito dalla sfera delle “stelle fisse”. Con l’introduzione di un sistema eliocentrico si era tornati ad un sistema fisico molto semplice capace di spiegare il moto retrogrado dei pianeti e soprattutto il fatto che i pianeti sembravano rallentare o accelerare durante le loro rivoluzioni; infatti nel sistema copernicano la distanza tra la Terra ed un pianeta varia continuamente. Il sistema copernicano aveva stravolto l’intero pensiero scientifico del tempo ma in fondo si portava dietro ancora elementi tradizionali (comprese le incongruenze): secondo copernico i pianeti si muovevano perché trasportati da sfere materiali, e quindi di moto circolare che per giunta veniva ritenuto uniforme. Ciò comportava che neanche il sistema copernicano riusciva a spiegare bene le anomalie del moto dei pianeti.

12 Nicholas Copernicus (1473-1543)

13 Rappresentazione del sistema copernicano

14 Moti retrogradi dei pianeti nella concezione copernicana….
Esempio di moto retrogrado di un pianeta in moto su di un'orbita superiore (cioè di raggio medio piu' grande) 14

15 Fine dell’antropocentrismo
Il pensiero di trovarsi al centro di tutto ha accompagnato l’uomo da sempre. Tutte le dottrine religiose partono da questo presupposto: secondo la religione ebreo-cristiano-islamica Dio ha creato la Terra ed in essa ha fatto nascere la vita. È questo che si insegna ai discendi da diversi millenni. Questo concetto è fortemente antropocentrico in quanto l’attenzione di un essere superiore si concentra solamente sulla Terra (che viene elevata scioccamente sugli altri corpi celesti) ed in particolare sull’uomo (che viene, ancora oggi!, considerato, parecchio più scioccamente, diverso dagli animali) che si trova ad occupare il posto più privilegiato dell’universo (il centro). Si comprende da ciò quanto, nel periodo rinascimentale, l’antropocentrismo, alimentato non solo dalla Chiesa ma anche dalle dottrine rinascimentali, fosse radicato nelle menti degli uomini. Il sistema copernicano fu sì una rivoluzione scientifica ma fu maggiormente una rivoluzione dell’immaginario comune: l’uomo che si era ritenuto da sempre e per sempre al centro, capace grazie al rinascimento di poter dominare la natura, veniva sbalzato ora in periferia,essere vivente in un pianeta al pari di tanti altri, senza nulla di privilegiato. Questo decentramento avrebbe poi influito parecchio sulla cultura del secolo successivo (1600). In campo artistico e letterario si sarebbe sviluppato il barocco, in netta contrapposizione con le dottrine rinascimentali, mentre in campo scientifico, grazie soprattutto a Galileo Galilei, sarebbe nata la fisica come oggi la conosciamo che supererà la distinzione, che aveva fatto Aristotele, tra mondo lunare e sublunare (non aveva più senso ritenere la Terra diversa dagli altri pianeti).

16 La condanna della chiesa
Copernico raccolse le sue teorie nel libro De revolutionibus, pubblicato nel 1543, lo stesso anno della morte di Copernico. Il motivo che obbligò Copernico a non pubblicare le sue teorie risiedeva nella condanna ecclesiastcia che colpivano coloro che contraddicevano, più o meno scopertamente, le sacre scritture.Queste persone venivano considerate eretiche. Alla fine del XVI secolo la Chiesa si avviava ad entrare in un periodo orribile segnato da un indicibile rigore e dall’istituzione dell’inquisizione. Se in un primo momento le teorie di Copernico non avevano avuto seguito (anzi con T. Brahe si era tornati al geocentrismo) agli inizi del 1600 esse furono riprese da Keplero e da Galileo. La Chiesa a questo punto corse ai ripari e nel 1616 il libro De revolutionibus fu inserito nell’indice dei libri proibiti e tutte le teorie copernicane, kepleriane e galileane concernenti l’astronomia furono condannate. Di questi tremendi sbagli la Chiesa si scuserà, ammettendo l’errore, quasi quattrocento anni più tardi: è infatti il 1994 quando il papa Giovanni Paolo II ammette ufficialmente gli errori della Chiesa nei riguardi di Copernico, Keplero e Galileo.

17 Il sistema di Thyco Brahe
Thyco Brahe (1546/ 1601 )astronomo danese ,con un sestante e d una bussola misurò l’altezza degli astri sull’orizzonte . Egli trascorse la sua vita ad osservare il cielo e a raccogliere dati. La precisione delle sue misurazioni è anche una decina di volte superiore a quella normale e ciò gli permise di descrivere parecchi fenomeni dettagliatamente. Se da un lato con Thyco Brahe l’astronomia ha fatto un passo indietro, dall’altro ne ha fatto molti in avanti. Come molti altri astronomi a lui contemporanei, egli si accorse che neanche il sistema copernicano era sufficiente a spiegare le anomalie del moto dei pianeti. Propose così un sistema più complicato, detto sistema thyconico, che risultava essere una sorta di compromesso tra il sistema tolemaico e quello copernicano. Secondo Thyco Brahe la Terra era immobile al centro della sfera delle “stelle fisse” (che delimitava l’intero universo). Attorno alla Terra orbitavano la Luna e il Sole. Attorno al Sole orbitavano poi (in senso opposto a quello del Sole attorno alla Terra) i cinque pianeti: Mercurio e Venere tra la Terra e il Sole, Marte, Giove e Saturno esternamente alla Terra e al Sole. Con questa rappresentazione Thyco Brahe, oltre a voler migliorare il sistema copernicano, evitò anche le possibili accuse della Chiesa. Questo ritorno al geocentrismo viene compensato da due scoperte fondamentali per lo sviluppo dell’astronomia. Nel 1572 egli osservò che nella costellazione di Cassiopea era comparsa una stella “nuova” (oggi noto fenomeno esplosivo detto nova o supernova) e quindi non era corretto l’appellativo di immutabile dato alle “stelle fisse”. In secondo luogo, nel 1577, egli si trovò ad osservare il moto di una cometa che orbitava in prossimità del Sole. Egli calcolò in modo accuratissimo l’orbita e si rese conto che essa intersecava le orbite dei pianeti. Veniva così a cadere anche l’esistenza delle sfere materiali responsabili del moto dei pianeti: essendo infatti materiali non potevano essere attraversate dai corpi. Il sistema thyconico durò ben poco, tuttavia le sue scoperte avrebbero segnato la strada dell’astronomia moderna.

18 Rappresentazione del sistema thyconico

19 Il sistema kepleriano Il sistema thyconico fu il primo sistema a prevedere le anomalie del moto dei pianeti. Tuttavia la sua descrizione matematica era molto complicata, forse più di quella del sistema tolemaico. Otto anni dopo la morte di Thyco Brahe, un allievo di lui, ( 1571/1630), pubblica un libro rivoluzionario: Astronomia nova (1609). In questo libro Keplero propone una sua interpretazione dell’enorme quantità di dati del suo maestro. Egli capì che se si considera il Sole al centro dell’universo e le orbite dei pianeti attorno ad esso di forma ellittica si poteva ottenere un modello molto corrispondente alla realtà e di facile descrizione matematica. Il sistema kepleriano era dunque così formato: il Sole era immobile al centro dell’universo (sfera delle “stelle fisse”); attorno ad esso orbitavano su orbite ellittiche di diversa eccentricità (comunque sempre prossima a zero) i pianeti nell’ordine: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove e Saturno; la Luna orbitava attorno alla Terra anch’essa su un orbita ellittica. Keplero evidentemente accolse la teoria del maestro (Thyco Brahe) della non esistenza delle sfere materiali come presupposto fondamentale delle orbite ellittiche. Il sistema kepleriano riuscì a spiegare con ottima approssimazione i moti dei pianeti. Inoltre Keplero dedusse dalle innumerevoli osservazioni tre leggi che regolano proprio i moti dei pianeti. Queste tre leggi riescono a dare una spiegazione cinematica ai sistemi orbitanti semplici (pochi corpi, molto distanti gli uni dagli altri e poco massivi). In seguito vedremo come altre piccole anomalie che furono riscontrate nei moti dei pianeti resero obsolete (o comunque grossolane) le leggi di Keplero.

20 Rappresentazione del sistema kepleriano

21 Prima legge di Keplero La prima legge di Keplero descrive geometricamente le orbite dei pianeti attorno al Sole. Essa afferma che: i pianeti ruotano attorno al Sole descrivendo orbite ellittiche di cui il Sole occupa uno dei due fuochi. I fuochi di un’ellisse sono due punti appartenenti all’asse maggiore tale che la somma delle distanze di qualsiasi punto dell’ellisse da ognuno dei due fuochi è costante. Ciò fa sì che il Sole non sia al centro ma leggermente spostato da esso. In particolare si definisce eccentricità di un ellisse il rapporto tra la distanza focale e l’asse maggiore. Questa grandezza varia da 0 a 1. Quando è zero l’ellisse diventa una circonferenza; quando si avvicina ad 1 l’ellisse diventa sempre più schiacciata e i fuochi si spostano (simmetricamente) sempre più dal centro. È bene notare che le eccentricità delle orbite dei pianeti sono molto piccole (per la Terra vale circa 0,017): ciò fa sì che le orbite dei pianeti siano in realtà molto prossime a circonferenze.

22 Seconda legge di Keplero
La seconda legge di Keplero riguarda invece la velocità con cui un pianeta ruota attorno al Sole. Essa afferma che: il raggio vettore congiungente il centro del Sole al centro del pianeta spazza aree uguali in tempi uguali. Per capire il significato di questa legge osserviamo la figura sottostante. Consideriamo due diversi momenti della rivoluzione del pianeta attorno al Sole. Per la seconda legge di Keplero se consideriamo un intervallo di tempo t, identico nei due momenti, le aree A1 e A2 devono essere uguali. Ma si vede che, dovendo essere le aree uguali, quando il pianeta è più vicino al Sole percorre più spazio di quanto ne percorre quando ne è lontano. Percorrendo spazi diversi in tempi uguali anche le velocità orbitali saranno diverse ed in particolare la velocità del pianeta sarà tanto maggiore quanto più vicino esso sarà al Sole.

23 Terza legge di Keplero La terza legge di Keplero non ha alcun significato se si considera un singolo pianeta, ma è una legge di fondamentale importanza quando si considerano tutti i pianeti. Essa afferma che: il rapporto tra il cubo del semiasse maggiore dell’orbita e il quadrato del periodo di rivoluzione è costante. il fatto che il rapporto di queste due grandezze sia costante significa che le due grandezze sono tra loro direttamente proporzionali. Ciò vuol dire che aumentando il cubo del semiasse maggiore aumenterà pure il quadrato dei tempi di rivoluzione. Il semiasse maggiore e il periodo di rivoluzione sono dunque legati tra loro da una proporzionalità esponenziale di esponente 3/2; ad esempio se quadruplichiamo il semiasse maggiore il periodo diventerà otto volte più lungo. Questo spiega perché i pianeti esterni impiegano diversi anni per completare una rivoluzione.

24 Dopo Keplero Dopo che Keplero aveva dato una rappresentazione cinematica soddisfacente del sistema solare nacque l’astronomia moderna. Nel 1610 (un anno dopo la pubblicazione di Astronomia nova) Galileo (1564/1642 ,”Dialogo sopra i due massimi sistemi “1643) puntò il cannocchiale verso il cielo. Egli fece innumerevoli scoperte tra cui: i rilievi lunari, le fasi di Mercurio e Venere, la vera composizione della Via Lattea e i quattro satelliti di Giove più grandi (da lui detti medicei in onore alla famiglia De’ Medici). Osservando proprio il moto di questi quattro satelliti Galileo vide che essi riproducevano in miniatura un sistema copernicano avvalorandolo (e avvalorando soprattutto quello kepleriano). Per le sue scoperte Galileo fu costretto dalla chiesa ad abiurare. Il primo che volle dare una spiegazione del moto dei pianeti fu Isaac Newton.(1642/1727 ,”Naturalis Principia Mathematica” 1687)Egli dapprima generalizzò la prima legge di Keplero affermando che le orbite, oltre che ellittiche, potevano essere anche circolari, paraboliche ed iperboliche; poi dedusse la cosiddetta legge di gravitazione universale. Essa afferma che due corpi si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Questa legge ha un importanza enorme: essa non si limita a descrivere i moti dei pianeti attorno al Sole ma si estende a tutti i corpi. La fisica terrestre e quella celeste sono ormai fuse tra loro e da questo punto di vista le leggi della fisica valgono sia sulla Terra che sugli altri corpi celesti (la prima conferma sperimentale di ciò fu trovata nel 1969 dagli astronauti dell’Apollo 11 direttamente sul suolo lunare). Grazie all’uso sistematico del cannocchiale per osservare il cielo e all’invenzione del telescopio, si compirono passi enormi. Si capì che il Sole non era altro che una stella come tutte quelle che si vedono in cielo (100 miliardi nella nostra galassia) relegata in una posizione…

25 …periferica di una galassia come le altre (100 miliardi in tutto l’universo) situata in una posizione qualsiasi nell’universo. Il decentramento è totale. La legge di gravitazione di Newton non ebbe rivali fino ai primi anni del Si osservò infatti che il perielio dell’orbita di Mercurio ruotava attorno al Sole di un grado ogni diecimila anni. Questo fenomeno non era minimamente previsto dalla legge di Newton e trovò spiegazione solo con l’avvento della teoria della relatività generale di A. Einstein (1879/ 1955 ,1905 relatività ristretta, 1916 relatività generale)Secondo questa teoria la presenza di masse incurva lo spazio-tempo quadridimensionale facendo sì che, nelle zone prossime al corpo massivo, la geometria euclidea non sia più valida. Ciò comporta che un corpo orbitante attorno ad un corpo molto massivo risenta della curvatura dello spazio- tempo ed è costretto a muoversi lungo una geodetica di tale spazio (la geodetica è la linea più breve che congiunge due punti, nella geometria euclidea è il segmento di retta) che è generalmente diversa da una retta; le masse dicono allo spazio-tempo come incurvarsi, lo spazio-tempo dice alle masse come muoversi. Secondo la teoria della relatività non sono solo le masse a risentire della gravità ma anche un raggio di luce che passa vicino ad un corpo molto massivo viene incurvato. In seguito agli studi di A. Einstein e di E. Hubble(1889/1953 ,1940 legge di Hubble sulla relazione che lega la velocità di allontanamento delle galassie alla loro distanza dalla terra ) nacque la cosmologia moderna. Essa si occupa di descrivere le varie fasi della vita dell’universo. Fu proprio grazie alle osservazioni di Hubble che si capì che l’universo era in espansione e che quindi deve avere avuto un inizio (detto Big Bang). Lo sviluppo della fisica quantistica( a partire dalle tesi di Planck e di Einstein) ha permesso di comprendere cosa sia avvenuto nelle prime fasi della storia dell’universo. In questo senso la collaborazione astrofisica-fisica quantistica ha portato a compiere passi enormi (nell’equazione di campo di Einstein è inclusa la cosiddetta “equazione di Dio” capace secondo studi recenti di spiegare qualsiasi cosa) ma anche a diversi interrogativi: si svilupperà l’universo, esiste davvero il gravitone, sono possibili i viaggi nel passato, ecc.