La terra e l' universo dai greci a Keplero

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La terra e l' universo dai greci a Keplero

LA RIVOLUZIONE SCIENTIFICA

I profondi, “rivoluzionari” mutamenti intervenuti nella scienza della natura agli inizi dell’età moderna non ci devono far dimenticare la ricerca millenaria e le scoperte geniali, trasmesse da una generazione all’altra, che aprirono la strada ai grandi scienziati del XVI e XVII secolo.

Continuità e frattura: frattura
Nei secoli XVI e XVII viene realizzata un’importante svolta nella scienza della natura, una svolta che non si riduce alle nuove scoperte realizzate da Copernico, Keplero, Galileo, Newton, Harvey, nell’ambito, dell’astronomia, della fisica e della biologia, ma che investe anche lo “statuto” della scienza, cioè il suo metodo, i suoi scopi e i suoi limiti, la sua concezione del sapere e il suo rapporto con altri saperi.

Per questo gli storici della scienza (Kuhn, Koyré) hanno parlato di “rivoluzione” scientifica.

Il periodo:
dal 1543: De Revolutionibus orbium coelestium di Copernico
al 1687: Philosophiae naturalis principia mathematica di Newton .
Nel processo della “rivoluzione scientifica” la rivoluzione astronomica è trainante

Novità della scienza moderna
Muta l’immagine dell’universo: viene distrutta la cosmologia aristotelico-tolemaica geocentrica;
insieme alla nuova cosmologia eliocentrica nasce la nuova fisica, che la fonda e la giustifica.
Questo mutamento cosmologico apre rilevanti questioni religiose e antropologiche: è ancora possibile pensare l’uomo come signore e centro dell’universo, come fine ultimo della creazione? E’ possibile pensare l’universo infinito? E allora quale rapporto c’è tra l’universo e Dio?

Novità della scienza moderna – Un nuovo modo di vedere la natura:

L’universo è un ordine oggettivo privo di ogni valore o qualità umana (spersonalizzazione della natura): non è possibile parlare di bontà, perfezione, anima, simpatie nell’ordine naturale.
La natura è un ordine causale (causalità: rapporto costante, univoco, necessario tra due fatti): la scienza studia e conosce solo le cause efficienti che producono i fenomeni.
La natura è un ordine relazionale: la scienza non studia le essenze ma le relazioni tra i fenomeni.
La natura è retta da leggi necessarie, uniformi e costanti

Novità della scienza moderna – Un nuovo modo di concepire il sapere:

La scienza è un sapere sperimentale (non semplice osservazione di fatti, ma costruzione complessa, su base matematica, verificata dall’esperimento).
La scienza è un sapere matematico (precisione del linguaggio matematico, ma la scienza conosce solo gli aspetti quantitativi e misurabili della natura).
La scienza è un sapere intersoggettivo, pubblico, controllabile da tutti (scienza = sapere universale, magia = sapere iniziatico, occulto).
La scienza è un sapere oggettivo, impersonale, che tuttavia consente di prevedere i fenomeni e di controllare la natura > “sapere è potere” (F. Bacon)

Novità della scienza moderna – autonomia della scienza:

La scienza moderna è caratterizzata dal metodo matematico-sperimentale: creazione di ipotesi, formulate in termini matematici, verificate dagli esperimenti, pubblicamente controllabili.
Questo metodo consente di distinguere nettamente la scienza moderna della natura da ogni altra forma di sapere (teologia, filosofia, magia ecc.)
Autonomia della scienza: è grazie al metodo che la scienza trova le sue verità, quindi essa è indipendente dalla filosofia e dalla religione (> scontro nel “caso Galilei”)

Problema: la scienza è un sapere distinto e autonomo da altre forme di sapere o è l’unico sapere valido? (problema dello scientismo)

Continuità e frattura: continuità

Gli elementi innovativi, rivoluzionari, della scienza moderna non devono farci trascurare il patrimonio di conoscenze e di idee da cui la scienza moderna ha preso le mosse; un dato riconosciuto da tutti gli studiosi è questo: gli scienziati moderni hanno creato la scienza proprio perché erano mossi da convinzioni, concezioni, idee, credenze pre-scientifiche.
Inoltre non potremo trascurare le conoscenze naturali acquisite nell’antichità e nel medioevo: questo enorme patrimonio, in parte contestato e ripudiato dagli scienziati moderni, ha costituito comunque il terreno su cui essi hanno lavorato, e da cui hanno tratto stimoli e spunti per la loro ricerca.
Le basi culturali della rivoluzione scientifica ci permetteranno fra l’altro di riflettere sul grande problema storiografico: perché la scienza moderna è nata in Europa? Come mai la scienza moderna non è nata nelle grandi civiltà asiatiche, nonostante gli altissimi livelli di conoscenza e di tecnica raggiunti da queste civiltà?

Premesse filosofiche e religiose della rivoluzione scientifica: il platonismo rinascimentale – I

Nel Quattrocento gli Umanisti che riscoprono gli autori antichi riscoprono anche Platone e i neoplatonici; a Firenze, sotto la protezione di Lorenzo de’ Medici, si forma un importante circolo platonico, animato dal filosofo e interprete Marsilio Ficino
nel Timeo platonico ci sono due idee riprese dagli autori neoplatonici e poi dagli Umanisti:
Prima idea: non soltanto gli esseri viventi sono dotati di anima ma anche il mondo, i corpi celesti e le sostanze materiali: quindi la vita che pulsa negli uomini è la stessa vita che pulsa in tutto il cosmo; da tutto ciò deriva la conseguenza che c’è una relazione tra la vita del cosmo e la vita dell’uomo, la vita dell’uomo subisce l’influsso dei corpi celesti e delle sostanze materiali, ma l’uomo può anche, a sua volta, influenzare le cose attorno a lui. Questo è il fondamento dell’astrologia e della magia, che fu molto “coltivata” dagli autori neoplatonici (il filosofo-mago più venerato fu Ermete Trismegisto) e che fu ripresa dagli Umanisti (Marsilio Ficino “mago”),
Seconda idea : il cosmo è stato creato dal Demiurgo conferendo ad esso un’armonia e un ordine per mezzo delle idee matematiche. Quest’idea (di origine pitagorica) porta a considerare la matematica come lo strumento più adeguato per conoscere la “struttura” dell’universo.

Queste due idee costituiscono premesse fondamentali della rivoluzione scientifica: i grandi iniziatori della scienza moderna (Copernico, Keplero e Galileo) sono tutti immersi nell’atmosfera culturale umanistica e platonica, e respingono l’aristotelismo.
Tra queste due idee la più feconda, dal punto di vista scientifico, fu naturalmente la seconda, ma anche la prima idea contribuì allo sviluppo della scienza, favorendo la convinzione che l’uomo potesse controllare la natura. I rinascimentali pensavano che la magia desse all’uomo il potere di dominare la natura, e anche gli scienziati volevano realizzare questo scopo. La scienza moderna, in seguito, rifiuterà la sapienza magica, e giungerà alla convinzione che le leggi della natura sono immutabili e che l’uomo pertanto non ha nessuna possibilità di modificarle: l’unica possibilità di controllo della natura consiste nella conoscenza delle leggi naturali, conoscenza che permette di fare predizioni e di utilizzare le forze della natura per mezzo della tecnica.

Tuttavia nel corso del Cinquecento (e anche oltre) il confine tra scienza e magia rimase piuttosto labile e alcune credenze “magiche” furono riproposte anche nei trattati scientifici dei “padri” della scienza .
La seconda idea, quella di un ordine geometrico-matematico dell’universo, spinse gli scienziati a esplorare l’universo animati dalla fede nella possibilità di scoprire nella natura semplici regolarità aritmetiche e geometriche

C’è ancora un elemento che caratterizza il neo-platonismo rinascimentale: una nuova concezione del Sole come sorgente di ogni principio e forza vitale dell'Universo.
Sul culto del Sole ebbe un ruolo importante la tradizione ermetica, specialmente dopo la traduzione dal greco dei libri di Ermete Trismegisto da parte di Marsilio Ficino (1433 - 1499) che scrisse tra l'altro un libro dal titolo De Sole.

Premesse filosofiche e religiose della rivoluzione scientifica: il cristianesimo

Copernico, Keplero, Galileo, Newton erano “platonici”, ma erano anche, con piena e profonda convinzione, cristiani:
la concezione biblica e cristiana della creazione costituisce una base culturale assolutamente favorevole allo sviluppo della scienza: infatti tutte le cose create sono “buone” e sono segni della potenza e bontà di Dio, pertanto meritano di essere conosciute.
Inoltre non esistono per caso, ma per l’opera creatrice di un Dio intelligente: sono state create per mezzo del Logos (il “Verbo” di Dio), quindi c’è una razionalità del cosmo che lo rende permeabile all’indagine razionale
Ciò non è contraddetto dal fatto che, in un frangente storico determinato, la nuova scienza abbia incontrato resistenze e opposizioni da parte delle chiese cristiane, restie a riconoscere l’autonomia della scienza e ad abbandonare il modello cosmologico aristotelico-tolemaico, considerato coerente con la Bibbia e con la dottrina cristiana.

La scienza prima della rivoluzione scientifica
breve storia della cosmologia

IL MOTO DEGLI ASTRI VISTO DALLA TERRA

Tutte le osservazioni astronomiche (a parte quelle degli ultimi anni attraverso i satelliti e le navicelle spaziali) vengono effettuate da osservatori che si trovano sulla Terra.
A causa del moto di rotazione della Terra intorno al proprio asse, il Sole e tutti gli astri (stelle e pianeti) ci appaiono compiere un moto diurno descrivendo orbite quasi circolari.
A causa invece del moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole, il Sole ci appare descrivere, rispetto al cielo delle stelle fisse, un moto annuo quasi circolare (eclittica). Non potendo vedere il Sole sullo sfondo delle cielo delle stelle fisse, noi possiamo renderci conto di tale moto dal variare sull’orizzonte del punto in cui esso sorge e tramonta e dalla sua diversa altezza allo Zenit.
Il moto apparente dei pianeti rispetto al cielo delle stelle fisse risulta invece molto più complesso (vedi immagini successive)

Il moto retrogrado di Marte, quale appare ad un osservatore solidale con la Terra : il moto non è più né circolare, né uniforme e mostra un loop che, visto dalla terra, corrisponde a una fase di moto retrogrado.

Erranti !

N.B. Gli antichi non sapevano che i pianeti si distinguono dalle stelle perché non brillano di luce propria, ma riflessa; avevano però distinto i pianeti dalle stelle proprio a causa del loro movimento irregolare, e infatti li avevano chiamati “pianeti”, cioè “erranti”.
Questi moti del tutto irregolari dei pianeti crearono nel mondo antico la maggior difficoltà per una descrizione del cielo inteso come una realtà ordinata, regolare, perfetta ed incorruttibile.
I pianeti noti agli antichi erano: la Luna, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno.

Costruzione del moto apparente di Marte rispetto al cielo delle stelle fisse dovuto al moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole (la Terra si muove più velocemente di Marte, quindi lo affianca e lo sorpassa)

Dai sacerdoti ai filosofi (da leggere)

I primi popoli che cominciarono ad osservare il cielo e scoprirne la regolarità dei moti e la correlazione con gli eventi terrestri furono gli egizi e i babilonesi . Ma se da un lato le conoscenze sulle posizioni degli astri e la durata dei loro moti (giorno, mese, anno solare) erano già molto precise, la descrizione dell'Universo era fortemente intrisa di elementi mitologici.
In particolare l'astronomia babilonese fu di tipo numerico, senza alcun modello geometrico dell'Universo, ma ciò nonostante era in grado di prevedere accuratamente la posizione degli astri e il verificarsi delle eclissi.
L'astronomia cominciò ad abbandonare le visioni magiche ed animistiche per cercare spiegazioni razionali con la cultura greca, libera da condizionamenti ideologico-religiosi (essendo praticamente assenti in tale cultura dogmi religiosi e testi sacri). Lo studio e l'interpretazione degli eventi celesti passò quindi dalle mani dei sacerdoti a quelle dei filosofi.

I Pitagorici (da leggere)

Un apporto molto importante alla conoscenza dell’universo venne dalla scuola pitagorica, non solo per le intuizioni dei pitagorici in ambito scientifico-astronomico, ma soprattutto perché essi per primi ipotizzarono che nell’universo esista un’armonia, una regolarità di tipo matematico. Per questo utilizzarono la parola kosmos (= armonia), per indicare l’universo.
L'idea che l'Universo, e per analogia la Terra, siano sferici venne introdotta in modo esplicito dalla Scuola pitagorica (V sec. a.C.),
Nel modello pitagorico (di Filolao) al centro dell'Universo è posto Hestia, il fuoco cosmico, attorno a cui si muovono, da occidente ad oriente, tutti i corpi celesti: il cielo delle stelle fisse (che è il più lontano dal centro) e poi i cinque pianeti: Saturno, Giove, Marte, Mercurio, Venere, il Sole (che riflette i raggi di Hestia), la Luna, la Terra e l’Antiterra, pianeta ipotetico introdotto per raggiungere il sacro e perfetto numero di dieci.
Il fuoco centrale non può tuttavia essere visto, in quanto la Terra volge verso di esso sempre la parte non abitata.
Il pitagorico Ecfanto fu il primo che introdusse la rotazione della Terra sul proprio asse in 24 ore, ripresa poi da Eraclide Pontico (discepolo di Platone), per spiegare il moto diurno delle stelle fisse.

Aristarco di Samo (310-230 a.C.)

Con Aristarco di Samo, filosofo peripatetico, l’ipotesi pitagorica del movimento della terra si trasformò in vera e propria ipotesi eliocentrica poiché egli, al posto del Fuoco centrale collocò il sole.
Il primo modello eliocentrico: Terra e pianeti girano intorno al sole con moti circolari. Il moto diurno di rotazione delle stelle fisse e degli altri corpi è apparente e dovuto alla rotazione diurna della Terra sul suo asse. La variazione stagionale dell’altezza del Sole è dovuta ad un’inclinazione dell’asse terrestre. Il moto retrogrado è una conseguenza della differente velocità di rotazione dei vari pianeti rispetto a quella della Terra.
Queste idee, che molti secoli più tardi si riveleranno corrette, non ebbero però alcun seguito, sia perché contrarie al senso comune e ad alcune interpretazioni di fatti osservati, sia perché ad esse non fece seguito alcuno sviluppo quantitativo in grado di spiegare i risultati delle osservazioni.
Galileo:”Non posso trovar termine all'ammirazione mia come abbia possuto in Aristarco e nel Copernico far la ragione tanta violenza al senso, che contro a questo ella si sia fatta padrona del loro credere.”

Platone (427-347 a.C.) (da leggere)

Platone espresse le sue opinioni sul mondo fisico nel Timeo: il mondo sensibile è una copia imperfetta, una imitazione di una forma ideale che esiste al di là del tempo e dello spazio e che può essere avvicinata soltanto dal pensiero puro. Un Demiurgo benevolo ha formato dal caos primordiale l'Universo ad immagine di quel mondo soprannaturale.
“... ecco perché tornì l'Universo come una sfera ..., che è fra le figure la più perfetta e la più simile a se medesima [la sfera è l'unica figura con infiniti assi di simmetria], perché Dio giudicò il simile infinitamente più bello del dissimile. E gli diede il movimento più adeguato al suo corpo e cioè quello fra i sette movimenti che più si avvicina all'intelligenza ed al pensiero. Ecco perché imprimendo al mondo la rotazione uniforme nello stesso luogo, lo ha fatto muovere con moto circolare....”
I principi alla base dell’opera creatrice del Demiurgo non potevano che essere di natura trascendente e, quindi, solo la matematica è in grado di descrivere la natura e il movimento dell'Universo .
Ma il contributo maggiore di Platone sta nel messaggio che egli lasciò agli astronomi, il cosiddetto assioma platonico, che per più di venti secoli condizionò l'astronomia teorica:
Il Sole, la Luna e i pianeti vagano nel cielo e seguono cammini complessi. Tuttavia, essendo anch'essi corpi celesti come le Stelle, devono muoversi in maniera conforme al loro rango: i loro moti debbono perciò derivare da una qualche combinazione di circonferenze percorse in modo uniforme

Eudosso (409-356 a.C.) (da leggere)

Eudosso (409 - 356 a.C.) fu uno dei più insigni matematici dell'antica Grecia; a lui si deve attribuire con certezza il contenuto di quasi tutto il V libro di Euclide (330 - 275 a.C.); come astronomo propose per primo il ciclo solare di 4 anni (3 anni di 365 giorni e 1 di 366 giorni), che fu più tardi adottato da Giulio Cesare.
Eudosso fu il primo a immaginare un sistema di sfere celesti: i corpi celesti stanno su sferiche concentriche rispetto alla Terra, che è considerata immobile al centro dell’Universo.
La sfera più esterna è quella delle stelle fisse, e si muove di moto circolare uniforme. Per ciascuno degli altri corpi celesti Eudosso immagina più sfere omocentriche: l’asse di una sfera è infisso nella sfera che lo contiene, così si possono spiegare i moti complessi e irregolari dei pianeti ammettendo che le sfere si muovano in versi contrari e a velocità diverse

Aristotele (384-322)

Il sistema delle sfere omocentriche fu pienamente accettato da Aristotele (384 - 322 a.C.) che ne fece l'asse portante della sua teoria dell'Universo.
Le sfere, che per Eudosso erano solo dei supporti geometrici per descrivere il moto planetario, assunsero per Aristotele una realtà fisica: infatti Aristotele non ammetteva il vuoto e le sfere materiali erano quindi necessarie per riempire lo spazio.

Il modello cosmologico di Aristotele è strettamente collegato alla sua fisica e alla sua teoria del moto.
Secondo Aristotele l’universo (finito, ma eterno) è costituito da due parti qualitativamente diverse e soggette a leggi fisiche diverse: il mondo sublunare e il mondo celeste.
Il mondo sublunare è costituito da 4 elementi materiali: terra, acqua, aria e fuoco, ed è soggetto a 4 tipi di divenire: moto locale, generazione/corruzione, alterazione, crescita/diminuzione:
Tutti i corpi nel mondo sublunare hanno un moto naturale in linea retta verso il luogo naturale dell’elemento primario da cui sono prevalentemente costituiti (il luogo naturale della terra è al centro della Terra, il luogo naturale dell’acqua è sopra la terra, l’aria sopra l’acqua e il fuoco sopra l’aria. Quindi i corpi pesanti cadono verso il basso perché costituiti prevalentemente di terra o d’acqua, mentre i corpi più leggeri si alzano verso i luoghi naturali dell’aria e del fuoco.
I corpi possono anche avere un moto violento quando sono costretti a muoversi per effetto di una forza esterna, che deve sempre essere applicata al corpo (motor conjunctus) e cessa immediatamente al venir meno della forza applicata (cessante causa cessat effectus).
la Terra non può ruotare intorno al proprio asse, né compiere una rivoluzione intorno al Sole, in quanto il moto circolare non compete ad alcun elemento del mondo sublunare.
Il cielo è costituito da una sostanza diversa, la quinta essenza, eterna, inalterabile e incorruttibile, il cui moto, cioè il moto di tutte le sfere che riempiono il cielo e portano con sé gli astri, è per natura circolare ed uniforme.
Tale sostanza (denominata “etere“) non può avere né peso né leggerezza perché per natura non può muoversi né dal centro né verso il centro.
N,B. La differenza qualitativa e fisica tra la Terra e i cieli era affermata perché i cieli apparivano, agli occhi degli osservatori antichi, sempre “uguali a se stessi”, quindi esenti da quei fenomeni di cambiamento, nascita e morte che avvengono continuamente nel “nostro” mondo.

Tolomeo (100-178 d.C.)

Il sistema omocentrico di Eudosso e di Aristotele non era in grado di salvare i fenomeni, cioè di spiegare il fatto che i pianeti appaiono talvolta vicini a noi, e talvolta più lontani, come risulta dalla loro diversa luminosità
Una spiegazione di questi fenomeni, (mantenendo la centralità della Terra e la tesi platonica che i moti celesti devono essere circolari ed uniformi o risultare da una composizione di tali moti) fu fornita dagli astronomi della scuola alessandrina, e in particolare da Tolomeo , autore dell’Almagesto.
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.

Il sistema aristotelico-tolemaico riusciva pertanto a salvare i fenomeni, cioè a dare spiegazioni razionali di ciò che si vedeva nei cieli, ma a prezzo di una grande complicazione: 3 centri dell’universo, orbite circolari il cui centro percorreva altre orbite circolari, ecc…
Nei secoli successivi, col perfezionarsi delle osservazioni, fu necessario introdurre nel sistema tolemaico altri moti, per spiegare con “ipotesi ad hoc” i fenomeni osservati. In tal modo però il sistema tolemaico si differenziò in una dozzina di modelli diversi, ciascuno costituito da un complesso di più di 40 “sfere”. Ma, soprattutto, il modello aristotelico-tolemaico divenne sempre più complicato e artificioso.
Questo modello non poteva più soddisfare astronomi come Copernico, convinti che l’universo doveva essere ordinato e armonioso, perché era stato creato da un Dio “che è ordine supremo”.

La scienza nel Medioevo (da leggere)

Per molto tempo si è creduto che dall’antichità all’epoca moderna ci fosse un lungo “salto”, nell’ambito scientifico così come nell’ambito culturale e artistico; e in mezzo mille anni di vuoto, di oscurità e barbarie, l’oscuro medioevo, appunto.
Oggi però il Medioevo è stato riscoperto e rivalutato, e anche in ambito scientifico molti studiosi (a partire dal grande Pierre Duhem) hanno evidenziato il contributo che il Medioevo ha dato alla formazione del pensiero scientifico.
Pierre Duhem (1861-1916), fisico e storico della scienza, autore di: Le sistéme du monde. Histoire des doctrine cosmologiques de Platon à Copernic.
Alfred N. Whitehead, La scienza e il mondo moderno, Boringhieri 1979
Alistar Crombie, Da Agostino a Galileo, Feltrinelli 1981
M. Clagget, La scienza della meccanica nel Medioevo, Feltrinelli 1981
S.Jaki, La strada della scienza e le vie verso Dio, Jaca Book 1988
Edward Grant, Le origini medievali della scienza moderna, Einaudi 2001

Alfred N. Whitehead, La scienza e il mondo moderno, Boringhieri, 1979 (da leggere)

Il Medioevo fu un lungo tirocinio della mentalità dell’Europa occidentale nel senso dell’ordine. Poté esservi qualche manchevolezza nell’applicazione, ma l’idea non perse mai la presa. Fu un’epoca di pensiero ordinato, razionalista da cima a fondo. (…) Per la scienza tuttavia è indispensabile qualcosa di più del senso generale dell’ordine delle cose. Non occorre che io precisi come l’abitudine al pensiero chiaro e rigoroso si sia radicata saldamente nella mentalità europea sotto il lungo predominio della logica e della teologia scolastica. (…) Non credo però di avere ancora messo in evidenza il grande contributo dato dal Medioevo alla formazione del pensiero scientifico. Intendo parlare della fede inespugnabile che ogni evento particolare può essere correlato, in modo perfettamente definito, ai suoi antecedenti e fungere da esempio di principi generali. Senza questa fede l’enorme lavoro degli scienziati sarebbe disperato. E’ questa fede istintiva , vivamente sostenuta dall’immaginazione, che costituisce il vero motore della ricerca: v’è un segreto, e questo segreto può essere svelato.

Alcuni contributi medievali (da leggere)

In questa presentazione accenniamo soltanto ad alcuni dei numerosi scienziati e dei numerosi apporti che il Medioevo fornì al progresso del pensiero scientifico.

Nella Matematica: all’inizio del XII secolo l’Europa ha ormai fatto propria l’eredità greca e araba.
…

Leonardo Pisano, detto Fibonacci (1170-1250)
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Giovanni Buridano (1295-1358), maestro delle arti all’Università di Parigi (da leggere)

Buridano per primo contesta la spiegazione aristotelica del moto violento: “Nel muovere un corpo il motore gli imprime un certo impetus, ovvero una certa potenza capace di muoverlo nella direzione verso la quale il motore lo ha avviato”. Buridano quindi nega che il moto richieda sempre un “motor conjunctus” e si avvicina al principio d’inerzia.
Buridano prende in esame anche il problema della rotazione terrestre, avanzando l’ipotesi - molto “moderna”, galileiana, - che si tratti di un problema di moto relativo: “ Benché a noi sembri che la Terra sulla quale viviamo sia in quiete, e il Sole ruoti intorno a noi sulla sua sfera, potrebbe essere vero anche il contrario, poiché i fenomeni celesti rimarrebbero gli stessi. Se la Terra ruotasse noi non ci accorgeremmo del suo moto rotatorio. La situazione sarebbe analoga a quella di una persona che si trovasse su una nave in movimento mentre questa sta sorpassando un’altra nave ferma. Se l’osservatore sulla nave in movimento immagina di essere in quiete, l’altra nave, che è realmente in quiete, gli apparirà in movimento. In modo analogo, se il Sole fosse effettivamente in quiete e la Terra ruotasse attorno a lui, noi avremmo la percezione opposta.”

Nicola Oresme (1320-1382),
maestro di teologia a Rouen, vescovo di Lisieux, consigliere del re di Francia CarloV. (da leggere)

Nicola Oresme, allievo di Buridano, strenuo oppositore dell’astrologia, è convinto che tutti i fenomeni siano riconducibili a cause naturali. A lui risale la metafora dell’universo come orologio meccanico, messo in moto dal Creatore.
Come il suo maestro Buridano, afferma la relatività del moto e sostiene che “non si può provare né con l’esperienza né con il ragionamento che il Cielo si muove di movimento diurno e la Terra no”.
Studiando il moto uniformemente accelerato Oresme deduce la cosiddetta “legge dei numeri dispari” solitamente attribuita a Galileo: “Gli spazi percorsi da un corpo che si muove di moto uniformemente accelerato, in intervalli di tempo successivi di uguale durata, sono proporzionali ai numeri dispari”. Poiché è noto che la somma dei primi n numeri dispari dà n2, si può dedurre (come fece in seguito Galileo) che, nel moto uniformemente accelerato, lo spazio totale percorso in un certo tempo è proporzionale al quadrato del tempo.

La tecnica nel Medioevo (da leggere)

Un altro contributo molto importante alla scienza è costituito dalla grande quantità di macchine e di strumenti messi a punto durante il Medioevo. Tra tutti questi ne presentiamo due che acquisteranno un ruolo importantissimo nella rivoluzione scientifica: l’orologio meccanico, indispensabile per misurazioni esatte del tempo, e le lenti, utilizzate nel Seicento per l’invenzione del cannocchiale.

Il primo orologio con meccanismo a scappamento fu inventato dall’architetto Villard De Honnecourt nel 1270: da quel momento cominciarono ad apparire, sui campanili e sulle torri civiche delle città, orologi meccanici sempre più complicati e prestigiosi.
Le lenti e gli occhiali (da leggere)

Nell’XI secolo il fisico arabo Alhazen scrisse il trattato di ottica Opticae Thesaurus. Con la traduzione in latino della sua opera, i monaci cominciarono a progettare e costruire lenti convesse di cristallo di rocca o di berillio, utilizzate per ingrandire i manoscritti da copiare. Nel XIII secolo Ruggero Bacone utilizzò lenti molate per restituire la capacità di leggere agli ipovedenti. A Venezia i vetrai di Murano riuscirono a fabbricare lenti di vetro. E’ documentato che nel 1280 anche i domenicani di Pisa fabbricavano occhiali, e nel 1305 un frate domenicano tenne una predica a Santa Maria Novella a Firenze in cui esaltava “l’arte di fare gli occhiali”.

Niccolò Copernico (Niklas Koppernigk), 1473-1543
De Revolutionibus Orbium Coelestium 1543

Dopo aver percorso sommariamente le tappe dell’astronomia e della fisica nell’antichità e nel Medioevo, affrontiamo la rivoluzione scientifica, avviata dall’opera di Copernico : De Revolutionibus Orbium Coelestium.

La rivoluzione copernicana

“il primo significato della rivoluzione copernicana è quello di una riforma delle concezioni fondamentali dell’astronomia”, ma spostando la Terra dal centro dell’universo, Copernico mutò anche il posto dell’uomo nel cosmo… “uomini che credevano che la loro dimora terrestre fosse soltanto un pianeta, ruotante ciecamente attorno ad una fra miliardi di stelle, valutavano la loro posizione nello schema cosmico ben diversamente dai loro predecessori che vedevano la Terra come l’unico centro focale della creazione divina.(…) La sua dottrina planetaria e la concezione ad essa legata di un universo incentrato nel Sole furono strumenti del passaggio dalla società medioevale alla moderna società occidentale, in quanto investivano il rapporto dell’uomo con l’universo e con Dio. Intrapresa con una revisione strettamente tecnica, ad alto livello matematico, dell’astronomia classica, la teoria copernicana diventò un centro focale delle terribili controversie in campo religioso, filosofico e nelle dottrine sociali che, nei due secoli successivi alla scoperta dell’America, fissarono l’orientamento del pensiero europeo” (Th. S. Kuhn, La rivoluzione copernicana, 1957)

Vita di Copernico

Nasce a Torun nel 1473 (in Polonia), studia matematica e astronomia a Cracovia, Padova, Ferrara (si laurea in diritto canonico), e a Bologna, dove conosce il neoplatonico Domenico Maria Novara. Tornato in Polonia, affronta il “problema” del sistema aristotelico-tolemaico. Nel 1532 porta a termine il De Revolutionibus, ma non lo pubblica; il discepolo e amico Rheticus però dà alle stampe un sunto delle idee del maestro e lo convince a pubblicare l’opera.
Il De Revolutionibus viene finalmente stampato, con una dedica al papa Paolo III e con una prefazione del teologo protestante Osiander, nel 1543, ma nello stesso anno Copernico muore. Il suo corpo viene sepolto nella cattedrale di Frombork.

Dal geocentrismo all’eliocentrismo

Copernico non rifiuta il modello cosmologico aristotelico-tolemaico a causa di nuove scoperte o di nuove osservazioni astronomiche. Copernico rifiuta il modello aristotelico-tolemaico perché esso ormai è troppo complicato e artificioso, presenta almeno 12 varianti e spiega i fenomeni solo introducendo nuovi elementi (epicicli, eccentrici, ecc…) che lo rendono sempre più disarmonico, “mostruoso”.
Copernico invece condivide la “fede” neoplatonica in un Dio “che geometrizza” e in un universo semplice, armonioso, geometricamente ordinato. Cerca allora una spiegazione completamente diversa dei moti celesti, e la trova in quei filosofi antichi (Filolao, Ecfanto, Aristarco) che affermarono la mobilità della Terra. Pertanto propone l’eliocentrismo e il movimento di rotazione e rivoluzione della Terra, convinto di realizzare un modello cosmologico capace di spiegare i fenomeni ma anche più semplice e ordinato.
In realtà i vantaggi del sistema eliocentrico di Copernico, rispetto a quello geocentrico, sono minimi, sia sul piano della precisione nella descrizione e previsione dei fenomeni celesti, sia sul piano della semplificazione, ma Copernico ha aperto una strada completamente nuova, ha permesso di guardare i fenomeni da un punto di vista nuovo, mentre il vecchio punto di vista non prometteva più nulla.

L’universo copernicano

Copernico propose quindi un modello di tipo eliocentrico: intorno al Sole, immobile, ruotano nell'ordine Mercurio, Venere, la Terra con la Luna, Marte, Giove ed infine Saturno. Tutto intorno si trovano le stelle, immobili, il cui moto diurno rispetto alla Terra è apparente in quanto dovuto alla rotazione della Terra intorno a se stessa. Allo stesso modo è apparente il moto diurno del Sole e così pure quello annuo, dovuto quest'ultimo al moto della Terra intorno al Sole. E così per i cinque pianeti.
Le dimensioni dell’universo copernicano sono considerevolmente maggiori di quello tolemaico.

Il sistema copernicano
Due moti: 1) La terra intorno a se stessa in un giorno
2) La terra (come gli altri pianeti) intorno al Sole

Il “conservatorismo” di Copernico

Nel “nuovo” mondo copernicano rimangono ancora molti elementi del vecchio mondo aristotelico-tolemaico:
Il mondo di Copernico, per quanto più grande di quello di Tolomeo, è ancora un mondo finito, delimitato dal cielo delle stelle fisse.
La forma perfetta è quella sferica, e il moto perfetto è quello circolare e uniforme, pertanto il moto della Terra e dei pianeti è circolare e uniforme, oppure composto da moti circolari.
I pianeti non si muovono in orbite, ma sono trasportati da sfere cristalline che ruotano; queste sfere hanno realtà materiale

Strumentalismo e realismo

La stampa del De Revolutionibus fu curata dal teologo luterano Osiander, che vi aggiunse (senza il consenso dell’autore) una prefazione nella quale sosteneva un’interpretazione strumentalistica della teoria di Copernico: “non è necessario che queste ipotesi siano vere e neppure verosimili, ma basta questo soltanto, che esse offrano dei calcoli conformi all’osservazione”. Le teorie di Copernico non sarebbero descrizioni vere della realtà ma solo strumenti utili per spiegare e prevedere le posizioni dei corpi celesti. In tal modo Osiander aggirava il problema del contrasto tra la teoria eliocentrica e alcuni passi della Bibbia.
Copernico invece, evidentemente, ha una concezione realista della propria teoria, infatti scrive: “Compito del filosofo è quello di cercare la verità in tutte le cose fin dove è stato da Dio concesso all’umana ragione … Ritengo che le idee assolutamente contrarie alla verità debbano essere confutate…”.
Quanto al problema dei passi biblici, Copernico lo risolve con poche battute: “Se per avventura vi saranno dei perdigiorno, i quali, sebbene ignoranti in matematica, si arrogheranno il diritto di giudicare la mia opera, e sulla base di qualche brano della Scrittura interpretato malamente secondo il loro interesse, oseranno criticare e schernire questo mio progetto, io non mi curerò di loro… Mi è noto infatti che Lattanzio, scrittore illustre ma poco versato in matematica, si esprime in termini puerili sulla forma della Terra laddove pone in ridicolo coloro che hanno sostenuto che la Terra ha la forma di una sfera. Non deve pertanto far meraviglia che qualche tipo simile si faccia beffe anche di me. La matematica è fatta per i matematici…”

Le reazioni all’opera di Copernico

L’opera di Copernico era un’opera per specialisti e fu accolta senza riserve da pochi astronomi (l’inglese Thomas Digges e pochi altri); nella maggior parte dei casi, gli studiosi adottarono con favore il sistema matematico copernicano, negandone però la verità fisica (assunsero quindi l’interpretazione strumentalista suggerita da Osiander); comunque in questo modo la teoria copernicana si diffuse ed entrò nella cultura astronomica e matematica del tempo, come scrive Thomas S. Kuhn, “per infiltrazione”.
Quando le idee copernicane varcarono i limiti della cerchia ristretta degli specialisti, astronomi e matematici, esse suscitarono polemiche asprissime. Già nella seconda metà del XVI secolo diversi letterati e filosofi si scagliarono contro l'assurdità della nuova teoria, per il suo palese contrasto con la cultura tradizionale. Questa posizione fu subito appoggiata e condivisa dalla nascente chiesa protestante (Lutero e Calvino).
La reazione della chiesa cattolica, in conseguenza delle sue tradizioni abbastanza liberali nei confronti delle idee scientifiche si fece sentire molti anni più tardi, ma fu più violenta: nel 1616 fu proibito l'insegnamento di ogni teoria eliocentrica e le opere di Copernico vennero messe all'indice. Nel 1633 l’Inquisizione costrinse Galileo alla famosa abiura (su cui torneremo).

Le obiezioni “scientifiche” alla teoria eliocentrica

Le difficoltà ad accettare la verità fisica della teoria copernicana non nascevano soltanto dall’ interpretazione letterale della Bibbia, ma anche da alcuni “fatti” che sembravano in palese contraddizione con l’ipotesi del movimento terrestre:
Se la Terra ruota su se stessa da ovest a est, un punto sulla superficie terrestre si muove (alla nostra latitudine) alla velocità incredibile di 12.000 km all’ora; ma allora …
dovremmo venire proiettati verso l’esterno
dovrebbe esserci un vento costante da est a ovest
un corpo in caduta libera da una torre dovrebbe cadere non verticalmente ma con una deviazione verso ovest (invece questo non si verifica)
immaginiamo di sparare, con due cannoni uguali, due proiettili, uno verso ovest e uno verso est; la gittata del proiettile sparato verso est dovrebbe essere molto minore di quella del proiettile sparato verso ovest, perché il cannone, trascinato dal moto della terra, “inseguirebbe” il proiettile che va verso ovest (invece questo non si verifica)
per lo stesso motivo gli uccelli dovrebbero muoversi più velocemente quando volano verso ovest e meno velocemente quando volano verso est

La parallasse

Inoltre se la Terra gira attorno al sole si muove anche rispetto alle stelle. Ma allora noi dovremmo osservare durante l’anno uno spostamento della posizione delle stelle; dovrebbe cioè cambiare la “parallasse stellare”. Questo spostamento però non veniva percepito e quindi si diceva che non c’era nessuno spostamento della Terra rispetto alle stelle.

La parallasse stellare
Come Copernico stesso notò, il moto della Terra doveva generare uno spostamento della posizione delle stelle fisse, che però non era osservato.
La spiegazione data da Copernico fu che le stelle fisse erano troppo lontane per consentire che la loro parallasse fosse osservata.

Tycho Brahe (1546-1601)
Tycho Brahe, danese, raccolse un’enorme quantità di osservazioni astronomiche precise (osservò 777 stelle), che costituirono poi la base per il lavoro degli astronomi successivi.

Tycho Brahe lavorò per lungo tempo sotto la protezione del re di Danimarca Federico II, che gli concesse l’isola di Hven, dove Tycho fece costruire un osservatorio; alla morte del re, Tycho si trasferì a Praga, al servizio dell’imperatore Rodolfo II.
Tycho ebbe anche la possibilità di studiare la cometa di Halley, apparsa nel cielo d’Europa nel 1572: lo studio del moto della cometa lo indusse a negare l’esistenza delle sfere materiali (al loro posto subentravano le orbite); inoltre avanzò l’ipotesi che l’orbita della cometa fosse ovale e mise in dubbio l’incorruttibilità e inalterabilità dei cieli.
In tal modo Tycho distruggeva alcuni principi fondamentali della cosmologia tradizionale, che erano stati rispettati anche da Copernico.

Il sistema tychonico

Nonostante le sue scoperte rivoluzionarie, Tycho non abbracciò il sistema eliocentrico copernicano, perché era convinto della validità degli argomenti contrari al moto della Terra. D’altra parte non “credeva” neppure nel sistema tolemaico. Costruì allora un sistema che manteneva i “vantaggi” matematici del modello copernicano, ma conservava la Terra ferma al centro dell’universo:
La Terra è al centro delle orbite della Luna, del Sole e delle stelle, mentre il Sole è a centro delle orbite dei 5 pianeti. In tal modo però le orbite si intersecano e quindi non si possono più ammettere sfere materiali.

Johannes Keplero (1571-1630)

Keplero, nato a Stoccarda, in Germania,nel 1600, diventa assistente di Tycho Brahe a Praga e alla sua morte gli succede nella carica di “matematico imperiale”. Muore nel 1630 a Ratisbona.
Opere principali:
Mysterium cosmographicum, 1596 - Astronomia nova, 1609 - Dioptrice, 1611 – Harmonices mundi, 1618 – Epitome astronomiae copernicanae, 1619 – Tavole Rudolfine, 1627.

Mysterium Cosmographicum, 1596

Keplero è un neoplatonico – neopitagorico, convinto dell’ordine matematico dell’universo, per questo non accetta il sistema, poco armonico, del suo maestro Tycho, e aderisce al sistema copernicano, a sostegno del quale nel Mysterium Cosmographicum propone diversi argomenti.
Inoltre la fede neoplatonica in una Ragione matematica divina che ha creato il mondo spinge Keplero – nel Mysterium- a stabilire una relazione tra i 5 solidi regolari “platonici” (cubo, tetraedro, dodecaedro, icosaedro,ottaedro) e i 5 pianeti.
se la sfera planetaria di Saturno fosse circoscritta al cubo, nel quale fosse inscritta la sfera di Giove, e se il tetraedro fosse inscritto nella sfera di Giove e circoscritto alla sfera di Marte, e così via … allora si potrebbero stabilire le dimensioni relative di tutte le sfere
L’idea della relazione tra pianeti e solidi platonici non resse alla prova dei fatti, e fu abbandonata da Keplero. Ma la storia di questa idea è esemplare, perché mostra due momenti fondamentali della ricerca scientifica: il momento dell’immaginazione e della creatività nella formulazione di ipotesi, e poi il momento del controllo rigoroso, della verifica di tali ipotesi.

Keplero ebbe la simpatica capacità di riconoscere i propri errori: quando Galileo annunciò le scoperte fatte col cannocchiale, Keplero espresse i propri dubbi, in particolare sui satelliti di Giove. Più tardi, dopo essere venuto in possesso di un cannocchiale fabbricato da Galileo, riconobbe e difese le scoperte fatte da Galileo. E nel trattato Dioptrice esaltò l’uso del cannocchiale ed espose i principi della scienza ottica che ne spiegavano il funzionamento.

La fede nelle “armonie del mondo” guidò Keplero anche nella ricerca di una spiegazione matematica del moto irregolare di Marte. Né Tolomeo, né Copernico, né Brahe avevano risolto il problema delle irregolarità del moto di Marte; Keplero per 10 anni cercò una spiegazione: nessuna combinazione di moti circolari riusciva a risolvere il problema. Alla fine Keplero scoprì che la teoria e le osservazioni combaciavano perfettamente se il pianeta percorreva un’orbita ellittica in tempi variabili secondo una semplice legge. In tal modo formula la prima e la seconda legge, presentate nella Astronomia Nova (1609). Nel 1618, nell’Epitome Astronomiae Copernicanae (1618), estende queste due leggi a tutti i pianeti.
Prima legge: Le orbite dei pianeti sono ellissi delle quali il Sole occupa uno dei due fuochi.
Seconda legge: la velocità orbitale del pianeta varia in modo tale che il raggio vettore copre, in eguali intervalli di tempo, superfici eguali.

Nel 1619, nelle Armonie del mondo (Harmonices mundi), Keplero presenta la Terza legge: i quadrati dei periodi di rivoluzione dei pianeti sono nello stesso rapporto dei cubi delle rispettive distanze medie dal sole

Misticismo, matematica, astronomia e fisica sono inestricabilmente associati nella mente di Keplero. Nelle Armonie del mondo egli parla di una frenesia divina e di un rapimento ineffabile nella contemplazione delle celesti armonie: e in queste armonie il Sole svolge un ruolo fondamentale:
“Il sole è il corpo più bello; è, in qualche modo, l’occhio del mondo. In quanto fonte della luce adorna, dipinge e abbellisce gli altri corpi del mondo (…) Per quanto riguarda il calore, il Sole è il focolare del mondo al quale si riscaldano i globi nello spazio intermedio (…) Per quanto riguarda il moto, il Sole è la causa prima del moto dei pianeti, il primo motore dell’universo”.
Secondo Keplero nel Sole c’è un’ anima motrix, una forza motrice, e i raggi che scaturiscono dal Sole spingono i pianeti lungo le loro orbite. I raggi del Sole investono maggiormente i pianeti più vicini e in misura minore i pianeti più lontani. Per questo ogni pianeta si muove più velocemente quando è più vicino al sole e più lentamente quando si allontana dal sole (seconda legge); per la stessa ragione i pianeti sono tanto più lenti quanto più sono lontani dal sole (terza legge); questa teoria è sbagliata, e nasce dalla metafisica platonica del Sole, così presente nel pensiero di Keplero.
la spiegazione scientifica dei moti dei pianeti sarà fornita dalla teoria gravitazionale di Isaac Newton, ma Newton non avrebbe mai potuto scoprire perché i pianeti si muovono, se Keplero non avesse scoperto, con le sue tre leggi, come si muovono.

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La terra e l' universo dai greci a Keplero

"Ciò che sappiamo è una goccia, ciò che ignoriamo un oceano!" Isaac Newton. Essendo impossibile tenere a mente l'enorme quantità di informazioni, l'importante è sapere dove ritrovare l'informazione quando questa serve. U. Eco

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