02. La Terra nello spazio
Per gli argomenti trattati, è opportuno un breve ripasso di cose fatte al primo anno o alle scuole superiori, su un buon libro di scienze per il liceo.
Per quanto riguarda la parte storica, su ciascuno degli argomenti e degli autori elencati nel testo sono stati scritti volumi e volumi... di cui qui non si farà alcun cenno. Quello che si cercherà di mettere in evidenza è - a grandi linee - come si è modificata la concezione dell'Universo fino alle scoperte di Galileo.
Nella parte didattica si prendono in considerazione alcuni degli argomenti delle Indicazioni Nazionali per la scuola secondaria di I e II grado,
Storia
Il mondo greco
La Terra piatta di Anassimandro
La teoria cosmologica di Anassimandro (Mileto, 610 – 546 a.c. ) era decisamente innovativa per i suoi tempi. Secondo Anassimandro, la Terra è al centro del mondo; introduce quindi il concetto geocentrico. La Terra, nel suo modello, ha la forma di un cilindro; camminiamo da un lato, ma c'è un altro piano che è opposto ad esso. La Terra sta ferma e galleggia "nel vuoto". I corpi celesti si muovono attorno alla Terra nelle loro orbite . Ecco come il filosofo della scienza Karl Popper descrive la teoria cosmologica di Anassimandro:
[Anassimandro] immagina, ruotanti intorno alla Terra, i cerchioni di due enormi ruote di carro, uno grande 27 volte la Terra, l’altro 18. Ciascuno di questi cerchioni o tubi circolari, è pieno di fuoco e possiede una fessura attraverso la quale si può vedere il fuoco. Questi fori sono da noi chiamati, rispettivamente, il Sole e la Luna. Il resto della ruota è invisibile, probabilmente perché è scura (o nebbiosa) e molto lontana. Anche le stelle fisse (e probabilmente i pianeti) sono fessure su ruote più vicine alla Terra di quelle del Sole e della Luna.
Sfericità della Terra
La sfericità della Terra è nota dai tempi degli antichi Greci. Fu probabilmente Pitagora che per primo suggerì questa ipotesi, verso il 500 a.C. Egli basò la sua idea sul fatto che la Luna è sferica. Lo aveva dimostrato osservando la forma del terminatore, cioè della linea che divide la parte illuminata della Luna e la parte in ombra, e le sue variazioni nel corso del ciclo lunare. Pitagora affermò che - se la Luna è sferica - anche la Terra deve esserlo.
Fra il 500 a.C. e il 430 a.C., un suo allievo di nome Anassagora determinò la vera causa delle eclissi di Luna e di Sole, e in seguito la forma dell'ombra terrestre sulla Luna durante un'eclissi lunare fu utilizzata per dimostrare la sfericità della Terra.
Attorno al 350 a.C., Aristotele dichiarò che la Terra è una sfera, basandosi anche sulle osservazioni compiute sulle diverse costellazioni visibili in cielo spostandosi sulla Terra a diverse latitudini.
Di ritorno da un viaggio in Egitto, Aristotele notò che “ci sono stelle che si vedono in Egitto e Cipro che non si possono vedere nelle regioni più a Nord”. Questo fenomeno è spiegabile solo se le persone guardano le stelle da una superficie curva. Aristotele prosegue e affermò che la Terra “non è di grandi dimensioni, altrimenti non sarebbe così apparente l’effetto con così piccoli spostamenti.” (De caelo, 298a2-10)
Aristotele fornì argomenti fisici e osservazioni a sostegno dell'idea di una Terra sferica:
Ogni porzione della Terra tende verso il centro fino a formare una sfera per compressione e convergenza. (De caelo, 297a9-21)
Viaggiatori che vanno a sud vedono le costellazioni meridionali salire più in alto sopra l'orizzonte
L'ombra della Terra sulla Luna durante una eclissi lunare è rotonda. (De caelo, 297b31-298a10)
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Aristarco di Samo (III sec. a.C.)
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, mentre questo gira attorno alla Terra. Siamo molto vicini alla teoria eliocentrica attuale.
Inoltre Aristarco comprese che - nell'ipotesi in cui è la Terra a girare attorno al Sole - le stelle avrebbero dovuto essere lontanissime. Aristarco definì un metodo molto ingegnoso per misurare le distanze della Luna e del Sole, giungendo a risultati molto approssimativi rispetto alla realtà, ma comunque apprezzabili in quanto tali risultati ebbero una notevole utilità per cominciare a comprendere gli ordini di grandezza del sistema solare.
Esercizio: ricavare il metodo di Aristarco osservando la figura 3
Tuttavia, la teoria eliocentrica di Aristarco non venne capita nell'antichità, e non ebbe quindi alcuno sviluppo nei secoli successivi.
Il mondo ellenista
Claudio Tolomeo (100-175 d.C.)
Il modello di Universo di Tolomeo
"La Terra ha forma sferica in ogni sua parte, è al centro della sfera celeste e in rapporto ad essa è un punto"
Al centro dell'Universo che è finito e sferico sta la Terra immobile, intorno a cui ruotano su sfere concentriche dieci corpi celesti, uno dei quali è il Sole. Esiste un "mondo sublunare", imperfetto, la cui materia è formata da aria, acqua, terra e fuoco, e uno sovra-lunare, luogo della perfezione e sede della quinta essenza. La materia è eterna, come eterno è l'Universo, e la vita di questo si svolge per cicli. Il tutto è retto dalla Causa Prima, che è anche il Motore Immobile, il Bene o la Vita Supremi, cioè Dio.
Questo sistema si fondava sul principio della circolarità e dell’uniformità dei moti celesti, già espresso da Aristotele. In altre parole bisognava ricondurre le apparenze (in questo caso, le irregolarità dei moti planetari, di cui Tolomeo era ben consapevole) alla «perfezione» di un moto che doveva essere circolare e uniforme, senza inizio né fine.
Nel sistema tolemaico la Terra si trova al centro del mondo (sistema geocentrico) e attorno ad essa ruota la Sfera celeste con la Luna, il Sole e le stelle «fisse». Per spiegare il moto di Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno (i pianeti allora noti, perché visibili anche a occhio nudo) si suppose che essi si muovessero di moto uniforme su circonferenze, dette epicicli, i cui centri si muovevano, sempre di moto uniforme, su altre circonferenze di diametro maggiore, chiamate deferenti. Spesso erano necessari più epicicli su più cerchi deferenti per spiegare le complicazioni osservate su alcuni oggetti celesti.
Le complicazioni del sistema tolemaico:
Ma oltre a queste irregolarità, il modello tolemaico cercò di spiegare anche altre discrepanze tra le osservazioni astronomiche e la perfezione dell'Universo.
Questi aggiustamenti, che riuscivano a rendere prevedibili gli eventi celesti, come le congiunzioni dei pianeti e le eclissi, rendevano il modello tolemaico estremamente complesso.
La visione del mondo formalizzata da Aristotele e perfezionata da Tolomeo fu accettata sostanzialmente senza modifiche per tutto il Medio Evo.
Solo nel 1543 subì un primo duro colpo, quando a Norimberga fu pubblicato il libro De Rivoluzionibus orbium coelestrium (Le rivoluzioni della sfera celeste), scritto da un astronomo, canonico di Frauenburg in Polonia, Niccolò Copernico.
La rivoluzione copernicana
Niccolò Copernico (1473-1543) aveva studiato e lavorato a Bologna, Roma, Padova, Ferrara. (in costruzione ...)
Nel 1514 Copernico propose un modello cosmologico assai più semplice di quello tolemaico: al centro dell’universo si trova il Sole, immobile, attorno si muovono in orbite circolari la Terra e i pianeti.
Il moto retrogrado apparente dei pianeti diventava - nel modello copernicano - solo un effetto di prospettiva dal nostro punto di osservazione (la Terra), che si muove intorno al Sole più velocemente dei pianeti esterni
Non pubblicò le sue scoperte fino al 1543, anno della sua morte.
Con la pubblicazione del libro di Copernico si fa coincidere l'inizio della cosiddetta rivoluzione scientifica.
Le orbite previste non coincidevano però del tutto con quelle osservate. Nel 1609 Galileo si accorse con un telescopio dell’esistenza di satelliti di Giove: era la dimostrazione inoppugnabile che non tutti i corpi celesti orbitano attorno alla Terra! Nello stesso anno Keplero suggerì che i pianeti si muovessero su ellissi invece che su circonferenze. In questo modo le predizioni finivano per coincidere con le osservazioni.
Giovanni Keplero (Johannes von Kepler 1571 – 1630) Keplero insegna a Praga, è copernicano, più giovane di Galileo di sette anni. Invia un suo libro giovanile di astronomia a Galileo, (...)
Le "leggi" di Keplero
Keplero espresse le sue tre leggi (si tratta in realtà di relazioni empiriche, non di leggi scientifiche nel senso che oggi diamo a questo termine), senza poterne però dare una spiegazione.
L'orbita descritta da un pianeta è un'ellisse, di cui il Sole occupa uno dei due fuochi.
Il segmento (raggio vettore) che unisce il centro del Sole con il centro del pianeta descrive aree uguali in tempi uguali.
I quadrati dei tempi che i pianeti impiegano a percorrere le loro orbite sono proporzionali al cubo delle loro distanze medie dal Sole.
Nel 1687 Newton pubblica i “Principi matematici della filosofia naturale” in cui
propone una teoria sul modo in cui i corpi si muovono nello spazio e nel tempo;
sviluppa l’apparato matematico necessario ad analizzare tali moti;
postula la legge della gravitazione universale, in grado di spiegare la caduta al suolo degli oggetti, il moto della Luna attorno alla Terra e dei pianeti intorno al Sole.
Galileo Galilei
Nasce a Pisa il 15 febbraio 1564, muore ad Arcetri (FI) l'8 gennaio 1642.
Biografia qui: https://it.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei)
Nel Sidereus Nuncius (L'annunciatore delle stelle, 1610) Galileo espone i risultati delle sue osservazioni astronomiche, effettuate con il cannocchiale che aveva finito di costruire appena pochi mesi prima.
Alcuni passi estratti dal Sidereus Nuncius sono riportati in questa pagina (link).
Osservazione della superficie lunare
Nelle osservazioni con il cannocchiale, Galileo vide , e poi disegnò fedelmente, i crateri e i rilievi che ricoprono la superficie lunare. Questo contraddiceva la descrizione degli oggetti celesti come formati da una materia perfetta, completamente diversa da quella che costituisce il nostro pianeta. Galileo affermò che Terra e Luna sono formate dalla stessa materia.Galileo notò che alcuni punti della zona di ombra del disco lunare vicina al terminatore (cioè alla linea che separa la parte illuminata da quella in ombra) erano illuminati. Capì che questi punti illuminati corrispondevano alle vette di montagne nella zona di ombra che (a causa della loro altezza) erano illuminate dal sole. Questo fenomeno è ben visibile anche sui rilievi terrestri:
e rende possibile "misurare" l'altezza delle montagne lunari.
Galileo valutò in circa 1/20 del diametro della Luna la distanza dei punti luminosi dal terminatore.
Dividendo per 20 il diametro della Luna trovò quindi il segmento DC, e applicando il teorema di Pitagora calcolò l'ipotenusa DE. La lunghezza DE è pari al raggio lunare più l'altezza della montagna, che quindi può essere ricavata per sottrazione
Nella figura, il disegno di Galileo sul Sidereus Nuncius e i suoi appunti:
Le lune di Giove (i satelliti Medicei)
Galileo scoprì che attorno al pianeta Giove ruotano quattro satelliti, che chiamò "Medicei" in onore di Cosimo II dei Medici, che allora governava Firenze. La scoperta contraddiceva ancora una volta il modello tolemaico: non tutti gli oggetti celesti ruotano intorno alla Terra, e non esistono "sfere" materiali che sostengono i pianeti nel loro moto intorno alla Terra.Propose di utilizzare le eclissi di questi satelliti come punto di riferimento per il calcolo della longitudine, che - come vedremo - rappresentava un grosso problema nella cartografia del tempo, e per la determinazione delle rotte navali.
Per molti decenni, però, i telescopi non ebbero una qualità sufficiente da permettere di utilizzare queste eclissi, e si continuarono ad usare le eclissi di Luna. Fu solo dal 1693 che il metodo poté essere usato per la costruzione di carte geografiche. Nell'immagine seguente, la carta della Francia pubblicata dall'Accademia di Francia, ottenuta con misure di longitudine basate su i satelliti di Giove e confrontata con la precedente versione.
Pare che, quando gli fu mostrata questa carta, il Re Luigi XIV si lamentò di aver perso più terre a causa degli astronomi che non a causa dei suoi nemici.
Il metodo delle eclissi dei satelliti di Giove rimase il sistema principale per la misura delle longitudini a terra fino alla fine del settecento (v. problema della longitudine), ma non verrà utilizzato in mare, a causa della difficoltà di osservare le posizioni dei satelliti di Giove da una nave in movimento.
Le fasi di Venere
Il pianeta Venere, nella sua rivoluzione intorno al Sole, viene illuminato in modo da rendere visibile, per un osservatore sulla Terra, una parte più o meno completa del suo disco. Presenta quindi le fasi, come quelle che vediamo della Luna. Inoltre noi vediamo il diametro di Venere variare nella sua orbita intorno al Sole, con un rapporto più o meno di 1 a 6,5 tra la fase di "plenilunio di Venere" e la fase di "novilunio di Venere".
Nel sistema tolemaico, Venere non può mai mostrare l'intera faccia illuminata; in quello copernicano, invece, mostra la serie completa di fasi. Nel sistema tolemaico, inoltre, è inspiegabile la variazione del suo diametro apparente, assumendo che Venere ruoti intorno alla Terra.
Galileo osservò le fasi di Venere con il suo cannocchiale, e l'11 dicembre 1610 scrisse a Giuliano de' Medici un messaggio cifrato, per indicare che era il primo a scoprire questo fatto notevolissimo:
Hæc immatura a me iam frustra leguntur / o. y.
Le lettere di questa frase, trasposte, formavano la frase: "Cynthiae figuras aemulatur mater amorum" (la madre degli amori, cioè Venere, imita le configurazioni di Cinzia, cioè della Luna, come Galileo rivelò nella successiva lettera del 1° gennaio 1611:
Le parole dunque che mandai trasposte, et che dicevano Haec immatura a me iam frustra leguntur o y, ordinate Cynthiae figuras aemulatur mater amorum, ciò è che Venere imita le figure della Luna.
Ecco come descriverà le sue osservazioni in una lettera all'astronomo Clavio, a Roma:
... nel principio della sua apparizione vespertina la cominciai ad osservare et la veddi di figura rotonda, ma piccolissima: continuando poi le osservazioni, venne crescendo in mole notabilmente, et pur mantenendosi circolare, sin che, avvicinandosi alla maxima digressione, cominciò a diminuir dalla rotondità nella parte aversa al sole, et in pochi giorni si ridusse alla figura semicircolare; nella qual figura si è mantenuta un pezzo, ciò è sino che ha cominciato a ritirarsi verso il sole, allontanandosi pian piano dalla tangente: hora comincia a farsi notabilmente cornicolata, et così anderà assottigliandosi sin che si vedrà vespertina; et a suo tempo la vedremo mattutina, con le sue cornicelle sottilissime et averse al sole, le quali intorno alla massima digressione faranno mezzo cerchio, il quale manterranno inalterato per molti giorni. Passerà poi Venere dal mezzo cerchio al tutto tondo prestissimo; et poi per molti mesi la vedremo così interamente circolare, ma piccolina, sì che il suo diametro non sarà la 6a parte di quello che apparisce adesso.
Foto "animata" di una ricostruzione delle fasi di Venere con materiali poveri (cliccare sul link per vedere le didascalie): https://www.thinglink.com/scene/1035257584103194625
Domanda (verifica di apprendimento):
sulla base di quanto sai delle fasi lunari e del sistema solare, quali sono i pianeti di cui, dalla Terra e con strumenti adatti, vediamo LE FASI?
Spettacolo di Marco Paolini ITIS Galileo [25 aprile 2012] https://www.youtube.com/watch?v=8alJ9eFl634
Elogio funebre di Galileo, dal minuto 11:40.
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