La Rivoluzione nella Scienza
© Valerio Nuzzo
La nascita della nuova scienza
Come ogni prodotto dell’attività umana, anche la scienza
moderna nasce in un contesto storicamente determinato:
Scienza e Società
Stati nazionali e civiltà urbano-borghese
Scienza e Tecnica
Alleanza tecnici-scienziati e invenzioni
Scienza e Rinascimento
Libertà di ricerca, ritorno all’antico e
naturalismo
Scienza e Scienziati
Fattore genio
I protagonisti
Copernico
Brahe
Keplero
Bruno
Galilei
Newton
Gli avversari
La tradizione culturale
La teologia cristiana
rappresentata soprattutto dagli
aristotelici, in quanto custodi:
rappresentata dalla gerarchia
ecclesiastica, in quanto custode:
della visione cosmologica
della validità della parola
aristotelico-tolemaica
della concezione finalistica
ed essenzialistica della realtà,
propria della metafisica greca
e cristiana
divina espressa nella Bibbia
della visione cosmologica e
del pensiero di Aristotele, su
cui Tommaso aveva fondato
l’intera filosofia cristiana
La testimonianza dei sensi, l’autorità di Aristotele, i teoremi della
metafisica e la parola divina della Bibbia, avevano finito per
attestare la validità assoluta del sistema aristotelico-tolemaico
PRINCIPIO DI AUTORITÀ
Aristotele
(384-322 a.C.)
e
Tolomeo
(90-168 d.C.)
Una pietra gettata nello stagno, un bicchiere
d’acqua che cade, un fuoco e la sua fiamma
Distinzione tra moto naturale e moto violento
Distinzione tra mondo terrestre e mondo celeste
Mondo terrestre = moto rettilineo (mutevole)
Aristotele
Mondo celeste = moto circolare (immutabile)
Maggior astronomo dell’antichità, autore dell’
Almagesto
Diede una spiegazione matematica a tutti i
fenomeni celesti in accordo con il cosmo
teorizzato da Aristotele (a sfere concentriche),
attraverso il ricorso ad artifici come gli epicicli
Tolomeo
Il Sistema aristotelico-tolemaico
Giove
Saturno
Marte
Sole
Venere
Mercurio
Luna
Terra
Stelle
Tale sistema
condensava secoli di
osservazioni in una
struttura molto
complessa, frutto di
una lunga evoluzione
Universo
degli antichi e medievali
GEOGENTRICO
al centro era la Terra, attorno
a cui si pensava ruotassero le
sfere contenenti i pianeti
UNICO
la teoria dei luoghi naturali,
allocando ogni materia in un
determinato luogo, ammetteva
un unico mondo possibile
CHIUSO
immaginato come una sfera
limitata dal cielo delle stelle
fisse, oltre il quale non c’era
nulla, neppure il vuoto
FINITO
non solo perché chiuso, ma
anche perché l’infinito era
considerato come impossibile
CONCENTRICO
fatto di sfere concentriche,
ritenute reali: sfera delle stelle
fisse, di Saturno, Giove, Marte,
Sole, Venere, Mercurio e Luna
DIFFERENZIATO
qualitativamente differenziato
in quanto diviso in mondo
Sopralunare e in mondo
Sublunare (fisica distinta)
NECESSITÀ DEL MOTO CIRCOLARE UNIFORME
Niccolò Copernico
(1473-1543)
Nacque a Torun in Polonia. Studiò a
Cracovia. Si specializzò a Bologna,
dove fu allievo dell’astronomo Novara
Tornato in Polonia, si dedicò agli studi
astronomici, finalizzati alla riforma del
calendario giuliano, da cui trasse il suo
“De revolutionibus orbium coelestium”
In quest’opera presentò la sua teoria eliocentrica, che scardinò
il geocentrismo, poiché solo ammettendo il moto terrestre si
poteva dare una spiegazione più semplice ai fenomeni celesti
Per sua stessa ammissione riprese l’eliocentrismo dei pitagori-
ci e di Aristarco di Samo, argomentandolo più rigorosamente
Il Sistema copernicano
Ammette:
MOTO TERRESTRE
di rotazione attorno a se stessa
e di rivoluzione attorno al Sole
MOTI APPARENTI
del Sole e dei pianeti dovuti
proprio alla rotazione della
Terra su se stessa
Ma…
non abbandona la vecchia
immagine di un Universo
Unico, Chiuso, Finito,
Differenziato, Concentrico
NECESSITÀ DEL MOTO CIRCOLARE UNIFORME
Gli ostacoli al copernicanesimo
Il copernicanesimo era in aperto contrasto con
la parola della Bibbia, che in più passi offriva
la conferma del geocentrismo, in particolare:
“Fermati, o Sole, su Gabaon e tu Luna, sulla
valle di Aialon!” (Giosuè, X, XII)
La Chiesa condannò il copernicanesimo (1616),
che in più violava il principio “subalternatio
scientiarum”
Andrea Osiander, senza il consenso dell’autore,
premise al suo capolavoro una prefazione in cui
sosteneva la natura ipotetica e matematica della
dottrina (strumentalismo), negando che essa
fosse una riproduzione fedele della realtà
(realismo), come invece credeva Copernico
Prime obiezioni e applicazioni
del copernicanesimo
Se la terra si muove, perché non provoca il
lancio di oggetti lontano dalla sua superficie
e perché non solleva un vento in direzione
opposta al suo movimento?
Perché i corpi pesanti (gravi) cadono sulla
superficie di una terra in movimento e perché
cadendo non si spostano in direzione opposta
al suo movimento?
La maggiore semplicità di calcolo che la
nuova teoria offriva, trovò la sua prima
applicazione nella stesura delle Tavole
Pruteniche (1551), ad uso dei naviganti, da
parte di Erasmo Reinhold (strumentalista)
Il moto retrogrado di Marte
secondo il modello tolemaico
Il moto retrogrado di Marte
secondo il modello copernicano
Thyco Brahe
(1546-1601)
È stato il più grande astronomo ad occhio
nudo della storia, fondatore dell’osservatorio di Uraniborg in Danimarca
Ideò un terzo sistema (detto ticonico),
per salvare sia la teoria copernicana,
più semplice, che quella aristotelicotolemaica, in accordo con la Bibbia
Secondo tale sistema, che riprese da Eraclide Pontico, i
pianeti girano attorno al Sole, mentre il Sole gira a sua volta
attorno alla Terra posta al centro del mondo
Osservando la nascita di una nuova stella e il passaggio di una
cometa, mise in discussione l’idea d’immutabilità del cielo
Il Sistema tychonico
Nega la realtà delle sfere solide
dell’astronomia antica, attuando
il passaggio da concetto di orbe
a quello di orbita
Ma…
non abbandona la vecchia
immagine di un Universo
Geocentrico
Unico, Chiuso, Finito
NECESSITÀ DEL MOTO CIRCOLARE UNIFORME
Giovanni Keplero
(1571-1630)
Aderì fin da giovanissimo al copernicane-
simo, fu allievo e successore di Brahe alla
carica di matematico imperiale a Praga
Studiando le carte lasciate da Brahe e
proseguendone le osservazioni, elaborò
le tre leggi sul movimento dei pianeti,
ancora oggi note come Leggi di Keplero
Ad esse vi giunse solo abbandonando, per primo, il più antico
e solido pregiudizio ereditato dall’antichità, secondo cui ai
pianeti non poteva che competere il moto circolare uniforme
Con esse Keplero dimostrò che l’orbita dei pianeti è un ellisse
e che, variando la loro velocità nel descriverla, essi si muovono
di moto non uniforme
Le Leggi di Keplero
Abbandona l’antico
dogma della
necessità del moto
circolare uniforme
Prima legge
Le orbite dei pianeti sono
delle ellissi con il Sole in uno
dei due fuochi
Seconda legge
Ma…
Il raggio vettore che unisce il
pianeta al Sole spazza aree
uguali in tempi uguali
Terza legge
[]2
I dei tempi di rivoluzione
di qualunque coppia di pianeti
sono proporzionali ai []3 delle
loro distanze medie dal Sole
non abbandona la
vecchia immagine
di un universo
Esiste una relazione
tra le velocità dei
pianeti a conferma
di un ordine geome
trico del cosmo
Unico, Chiuso,
Finito
SENZA QUESTE LEGGI NEWTON NON AVREBBE ELABORATO LA TEORIA DELLA GRAVITAZIONE UNIVERSALE
Giordano Bruno
(1548-1600)
Nacque a Nola, frequentò a Napoli il
collegio domenicano, dove crebbe come
ragazzo prodigio per la sua memoria
Entrato in contrasto con gli ambienti
ecclesiastici, iniziò a vagare per l’Europa
come araldo di una nuova visione dell’
universo di chiara matrice copernicana
Maturò però delle idee che non furono il frutto di osservazioni
astronomiche o calcoli matematici, ma di geniali intuizioni a
sostegno dell’infinità dell’universo e della pluralità dei mondi
Non essendo uno spirito moderno (utilizzava strumenti extra-
scientifici) Brahe, Keplero e Galileo rifiutarono le sue idee
L’inquisizione lo processò come eretico e lo condannò al rogo
Le idee cosmologiche di Bruno:
dall’Universo antico al moderno
“Come poterono pensare che
fossero racchiuse in uno spazio
limitato tutte le cose che,
infinite, ovunque possono
succedersi sempre in tanto
grandi ed in tanto vasti spazi?”
Abbattimento delle mura esterne
dell’Universo: abbandono
dell’idea di un Universo
“Sono dunque soli innumerabili,
sono terre infinite che similmente
circuiscono quei soli, come
veggiamo queste sette circuire
questo sole a noi vicino”
Ammissione di una pluralità di
mondi: abbandono dell’idea di
un Universo
“Così si magnifica l’eccellenza
di Dio, si manifesta la grandezza
de l’imperio suo: non si glorifica
in uno, ma in soli innumerevoli:
non in una terra, un mondo, ma
in duecentomila, dico infiniti”
Ammissione di un Universo
infinto in cui non esiste un punto
di riferimento assoluto, alcun
centro: abbandono dell’idea di
un Universo
CHIUSO
UNICO
FINITO
RIFIUTO DELL’UNIVERSO CHIUSO UNICO E FINITO
Galileo Galilei
(1564-1642)
Nacque a Pisa. Attratto fin dalla tenera età
dalle discipline scientifiche, ottenne a soli
28 anni la cattedra di matematica a Padova
Il 1609 segna una tappa decisiva nella
sua vita. Proprio quell’anno infatti puntò
verso il cielo il cannocchiale da lui stesso
costruito ai fini della ricerca astronomica
Le scoperte che ne seguirono, rese note nel Sidereus Nuncius
(1610), offrirono le prove del copernicanesimo, procurandogli
potenti nemici, come gli aristotelici ma soprattutto la Chiesa
Nel 1616 ricevette dal cardinale Bellarmino l’ammonizione a
non difendere la teoria copernicana, ma nel 1632 per i contenuti
del «Dialogo…» incappò in un processo che gli costò l’abiura e
il carcere a vita, tramutato nel confino di Arcetri. Morì cieco
Il «Sidereus Nuncius» e le prove
del copernicanesimo
Le montagne lunari: Galileo scoprì che la Luna non è
perfettamente sferica come sostenevano gli antichi, ma
presenta una superficie montuosa come la Terra, a riprova
dell’omogeneità tra mondo sublunare e mondo celeste
Le macchie solari: Galileo scoprì che il Sole presentava
sulla sua superficie delle chiazze scure, indice del fatto
che esso era soggetto al divenire come la Terra, a riprova
della mutevolezza del mondo celeste
Le fasi di Venere: da questa scoperta Galileo fu indotto a
pensare che Venere ricevesse la luce dal Sole girandovi
attorno, proprio come la Terra, e che quindi era un corpo
opaco (privo di luce propria) al pari degli altri pianeti
I pianeti medicei: Galileo scoprì i 4 satelliti di Giove,
battezzati pianeti medicei, che ruotavano attorno ad esso
proprio come la Luna attorno alla Terra, confutando in tal
modo l’idea che l’Universo avesse un solo centro
Il «Dialogo intorno ai due
massimi sistemi del mondo»
Le scoperte fatte col cannocchiale non quietarono i
sostenitori del vecchio sistema e proprio per questa
ragione Galileo scrisse nel 1632 il «Dialogo…»
Esso si svolge tra tre personaggi: il copernicano
Salviati, l’aristotelico Simplicio e lo spirito libero
Sagredo, ed avviene in quattro giornate
Le prime due giornate sono dedicate alla distruzione
della cosmologia aristotelica ed in particolare alla
confutazione degli argomenti contro il moto terrestre
Cannocchiale
di Galileo
Se la terra si muove, perché non provoca il lancio
di oggetti lontano dalla sua superficie e perché non
solleva un vento in direzione opposta al suo moto?
Perché i corpi pesanti cadendo sulla Terra non si
spostano in direzione opposta al suo movimento?
Il principio di relatività
del moto locale
Ad essi Galileo rispose con un celebre esempio:
Immaginiamo di trovarci nella stiva di una nave e di
osservare in essa la presenza di mosche, farfalle e di
un secchio da cui cade goccia a goccia acqua dentro
un catino dalla bocca stretta, se la nave si muove a
qualunque velocità «purché il moto sia uniforme e
non fluttuante in qua e in là, voi non riconoscerete
una minima mutazione in tutti li nominati effetti, né
da alcuno di quelli potrete comprendere se la nave
cammina o pure sta ferma»
Galileo espose così il suo principio di relatività
del moto locale, per il quale tutto ciò che si trova
sulla Terra partecipa del suo stesso moto e dalle
osservazioni compiute al suo interno non si può
stabilire se essa sia ferma oppure si muova
La prova galileiana
del moto terrestre
Nella quarta giornata Galileo espose l’argomento
positivo per dimostrare il moto della Terra, facendo
ricorso al fenomeno delle maree
Prendendo però un terribile abbaglio, poiché con
questo argomento non fece altro che contraddire
proprio il principio di relatività poc’anzi enunciato
Il moto terrestre fu dimostrato solo nel 1851 dal
fisico Focault che al Pantheon di Parigi condusse
un esperimento in cui riuscì (con un complicato
sistema) a sganciare un pendolo dal piano su cui era
appeso, dimostrando che il moto apparente del
pendolo, che frattanto aveva iniziato a ruotare, altro
non era che il moto stesso della Terra
Le ragioni del processo
Realismo: Galileo rifiutò sempre di presentare le sue
teorie come semplici ipotesi (strumentalismo), come
invece gli era stato suggerito dal Card. Bellarmino,
sostenendo al contrario che le sue scoperte e teorie
descrivevano la realtà per come essa è (realismo)
Autonomia della Scienza: nelle Lettere copernicane Galileo sostenne
che la natura, oggetto della scienza, e la Bibbia, base della religione,
derivavano entrambe da Dio e non potevano contraddirsi, ma accadendo
i contrasti dovevano risolversi rivedendo l’interpretazione della Bibbia,
poiché essa insegna “come si vadia in cielo e non come vadia il cielo”
Libertà di ricerca: fondata sul metodo sperimentale fatto da sensate
esperienze e certe dimostrazioni. Con l’esperimento (mentale o reale
che sia) i dati dell’osservazione sono sottoposti all’esame della ragione
RIFIUTO DEL PRINCIPIO DI AUTORITÀ
Galileo
tra leggi fisiche ed errori
Galileo fece decisive scoperte in campo astronomico
ma soprattutto fisico. Con i suoi studi sulla caduta
dei gravi giunse alla determinazione del 2° principio
della dinamica. Infatti…
dimostrò che il moto di un corpo in caduta libera è
uniformemente accelerato indipendentemente dalla
forma, dalla materia e dal peso (per Aristotele dal
peso di un corpo dipendeva la velocità)
Giunse a determinare oltre al principio di relatività del moto locale
anche quello d’inerzia, per cui tutti i corpi conservano il proprio stato
di quiete o di movimento a meno che non intervenga una forza esterna
Commise però l’errore di considerare l’inerzia come riferita al moto
circolare e non al moto rettilineo uniforme, credendo così che l’orbita
dei pianeti fosse circolare e soprattutto che ciò bastasse a spiegare il
loro movimento nello spazio. Pesò l’antico dogma della circolarità
Isaac Newton (1642-1727)
e il nuovo paradigma
La grandezza di Newton sta nell’aver unificato in
una sola formula la forza che mantiene i pianeti
nella loro orbita e quella che fa cadere i gravi sulla
Terra, di aver unificato cioè le leggi di Keplero e
quelle di Galileo. Newton infatti…
dopo aver determinato i tre principi della dinamica e
notato che il movimento dei pianeti nella loro orbita
poteva essere pensato come una caduta continua…
Newton
giunse a formulare la Legge della gravitazione universale: i corpi si
attraggono proporzionalmente al prodotto delle masse e in ragione
inversa del quadrato delle distanze F = G m1m2 /r2
definendo così un nuovo paradigma a conferma dell’eliocentrismo
I caratteri della nuova Scienza
Dalla rivoluzione scientifica e soprattutto da Galileo
emerse un nuovo modo d’intendere la natura e lo studio di
essa, emerse cioè una nuova concezione della…
NATURA
SCIENZA
Ordine oggettivo
Sapere sperimentale
Ordine causale
Sapere matematico
Insieme di relazioni
Saper intersoggettivo
Insieme di leggi
Saper oggettivo
William Herschel (1738-1822)
e la scoperta di Urano
© Liborio Dibattista
Nel 1781 l’astronomo William Herschel riuscì ad
individuare casualmente il 7° pianeta del sistema
solare, cui fu dato il nome di Urano
La scoperta diede la prima conferma della fecondità
del paradigma newtoniano della gravitazione univ.le
Ben presto però ci si avvide che l’orbita di Urano
presentava alcune anomalie rispetto a quanto si era
previsto applicando il paradigma. Era necessario…
1)
…o correggere la legge di gravitazione
universale modificando l’esponente di r
2)
…o trovare un altro pianeta che interferendo
con la propria massa su Urano ne mutasse la
descrizione dell’orbita intorno al Sole
Adams e Le Verrier
alla caccia dell’ 8° pianeta
John Adams (1819-1892), matematico a Cambridge,
si occupò del problema dal 1843 e sulla base dei
suoi calcoli previde il passaggio del pianeta in un
preciso punto dello spazio per il 30-09-1845, ma…
…. Airy, direttore dell’osservatorio di Greenwich,
cui Adams si era rivolto, chiese chiarimenti e
temporeggiò
Urbain Jean-Joseph Le Verrier (1811/1877),
indipendentemente da Adams, annunciò i suoi
calcoli alla AS di Parigi nel 1845 e pubblicò le
“Ricerche sui movimenti di Urano” nel 1846
Airy lesse Le Verrier e si convinse, dando così
l’incarico all’astronomo Challis dell’osservatorio di
Cambridge di cercare il pianeta
Le Verrier
scopre Nettuno ma…
Le Verrier, dopo un inane tentativo a Parigi si
rivolse all’astronomo Galle, dell’osservatorio di
Berlino, che il 23-09-1846 individuò l’8° pianeta,
ma ad 1° di distanza rispetto alle previsioni
Le Verrier pretese di chiamarlo col suo nome,
optando poi per Nettuno
Circa un mese prima Challis aveva visto una strana
stella , ma solo dopo la comunicazione di Galle
capì che aveva visto il nuovo pianeta
Ne nacque un’accesa disputa scientifica, in cui il
maggiore astronomo del tempo William Herschel jr
parteggiò per Adams, mentre La Royal Society
conferì la medaglia Copley a Le Verrier
Solo nel 1847 si stabilì la co-paternità della scoperta
Il problema della precessione
del perielio di Mercurio
Successive osservazioni del sistema mostrarono il
verificarsi di uno strano fenomeno, noto come la
precessione di Mercurio
Si notò, infatti, che il perielio di Mercurio tendeva a
spostarsi di 500” a secolo, di cui 43’’ inspiegabili
Per dare spiegazione al fenomeno vennero avanzate
varie ipotesi:
1)
2)
3)
Le Verrier, visto il buon esito della prima
ricerca, tentò di trovare un altro pianeta tra il
Sole e Mercurio: Vulcano. Ma… fallì
Altri sostennero la presenza non di un pianeta
ma di un anello di asteroidi. Ma… fallirono
Si pensò di correggere Newton cambiando
l’esponente di r
Invece…
La soluzione:
cambio di paradigma
La relatività
generale di Einstein
Einstein utilizzerà geometrie non
euclidee per ipotizzare un universo
illimitato ma finito, in cui la materia si
incurverebbe su se stessa similmente ad
una sfera illimitatamente percorribile
