il cielo come laboratorio

NOESIS – BERGAMO
INCONTRI DI FILOSOFIA
ANDREA POSSENTI
IL CIELO COME LABORATORIO
2009 - 2010
IL CIELO, LA TERRA
ANDREA POSSENTI – IL CIELO COME LABORATORIO
Andrea Possenti1 – Astronomo INAF, osservatorio di Cagliari
Conferenza tenuta martedì 6 aprile 2010
1.1
RELAZIONE
L’astrofisica, che studia spazi remoti e mondi lontani, ci serve
sempre di più per capire quello che succede qui sulla terra.
Sempre di più usiamo il cielo come se fosse un laboratorio di
fisica.
Vediamo di dare una inquadratura storica al discorso.
Fin dalla preistoria le immagini celesti generavano stupore, ma anche desiderio di ricavarne
qualcosa di utile. In mancanza di luce artificiale, libri e televisione, si guardava molto il cielo.
Uso [di guardare il cielo] era focalizzato alla
quotidianità.
Si volle sfruttarne la regolarità e la
ripetitività. Prima di tutto come misura del tempo,
mezzo per determinare il giorno della semina.
Proietta una immagine di Stone Henge ed una di uno
Ziqqurat Assiro, presentati entrambi come costruzioni
atte ad agevolare l’osservazione astronomica, ma
soprattutto
a
svolgere funzioni da calendario. Dapprima l’interesse era
focalizzato su semine e fecondità, più avanti l ’interesse si fa
più teorico, e si effettuano le misure fondamentali: raggio
terrestre, distanza terra-sole e terra-luna, ecc.
Si tratta di
misure che implicano conoscenze sulla sfericità della terra e
ricorso ad un sistema eliocentrico. Vi erano tante nozioni che
sono scomparse dal dominio comune dopo la sistemazione
tolemaica.
Astronomia antica si caratterizza come segue:
− Tecnologia: osservazione ad occhio nudo, agevolata da traguardi tra pietre allineate
− Teoria: minimale, basata su geometria e matematica, senza ricorso alla fisica
− Scopi: utilitaristici: orologio e calendario
Nel Medio Evo si hanno ulteriori sviluppi. L’idea che la terra fosse sferica non è mai scomparsa,
ed i dotti di Salamanca non erano disinformati come vuole la vulgata.
Arriviamo alla rivoluzione scientifica. Copernico 2 sfida l’ipse dixit 3 e ritorna alla misurazione.
1
Astronomo italiano nato nel 1963. Vedi note bibliografiche.
Copernico, noto astronomo polacco, 1473-1543
3
Ipse dixit, riferito in questo caso all’autorità di Aristotele, secondo il sophisma auctoritatis (principio di autorità come
criterio di validazione scientifica)
2
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Tycho Brahe 4 introduce la ripetizione delle misure ed i primi elementi di teoria degli errori.
Poi arriva il cannocchiale, non inventato da Galileo, ma da lui usato in astronomia.. Si vedono cose
nuove e si accentua l’interesse. Si scopre che i corpi celesti non sono esattamente sferici, e si
vedono gli anelli di Saturno.
Vengono osservate le fasi di Venere che supportano la teoria
eliocentrica.
Grazie alle osservazioni di Tycho Brahe ed alle successive teorizzazioni di Keplero 5 ci si rende
conto che le traiettorie celesti non sono circolari ma ellittiche. Viene fondata la dinamica, Galileo
introduce il fondamentale principio di inerzia.
Le altre due leggi fondamentali della dinamica arrivano con Newton6 . Mettendo assieme tutto
Newton effettua la sua grande teorizzazione, formulando le leggi di gravitazione universale, con
capacità di teoria predittiva. In particolare si prevede il ritorno della cometa di Halley (1758),
avendo constatato che era già passata altre quattro volte 7 . La teoria ottiene dalla cometa una
clamorosa conferma. Seguì una valanga di successi, tra cui l’ipotesi dell’esistenza di Urano e di
Nettuno prima che questi pianeti potessero essere visti.
Siamo giunti all’astronomia classica, che si caratterizza come segue:
− Tecnologia:
telescopio
− Teoria:
dinamica
− Scopi:
comprensione dei fenomeni e sviluppo di modelli
La sede delle osservazioni passa dalle case private agli osservatori che, in Europa, godevano della
mancanza di inquinamento luminoso.
Ora, a causa appunto dell’inquinamento luminoso, il
telescopio nazionale italiano è alle Canarie, ed abbiamo una partecipazione in un telescopio
internazionale installato in Cile.
Questi telescopi usano lo stesso tipo di informazioni del
cannocchiale di Galileo (onde elettromagnetiche nella banda 100-700 nm), ma con lenti
enormemente più sensibili.
L’evoluzione dei mezzi di osservazione ha visto:
− Occhio e allineamenti
− Telescopi terrestri
− Telescopi orbitanti (riescono a scrutare fino a 10 miliardi di anni luce)
Proietta immagini di galassie.
Lo spettro elettromagnetico va molto oltre al visibile. Vi
sono raggi γ, x, UV (ultravioletti), IR (infrarossi), ed
onde radio. Quindi vengono costruiti telescopi che si
avvalgono di altre tecnologie.
C’è un telescopio
sensibile all’infrarosso che ha consentito di fotografare
pianeti distanti venticinque anni luce. Il satellite Beppo
Sax consente di scattare foto sensibili ai raggi X, il
satellite Agile fotografa ai raggi γ.
Si costruiscono
4
Tycho Brahe, astronomo danese, 1546-1601
Keplero, 1571-1630, astronomo, matematico e musicista tedesco
6
F=ma e principio di azione e reazione
7
da documenti storici, vedi paragrafo riferimenti
5
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grandi antenne per captare le onde radio.
metri.
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Ad Arecibo 8 ce n’è una con un diametro di trecento
Arriviamo all’astronomia moderna caratterizzata da:
− Tecnologia: tutte quelle citate, in parte installate nello spazio
− Teoria: tutta la fisica, alla luce della relatività
− Scopo: indagare la struttura interna, la formazione e l’evoluzione dei corpi celesti.
Le immagini rappresentano entrambe il sole, quella a sinistra è una fotografia alle onde radio,
quella di destra ai raggi x
Combinando tutte le informazioni così ottenute è stato ricostruito il passato del sole fino a 4,5
milioni di anni fa, e ne è stato previsto il futuro.
E’ una grande sfera di gas, in equilibrio tra pressione e gravità. Resterà così per altri 5,5 miliardi di
anni, poi terminerà l’idrogeno e comincerà a raffreddarsi aumentando di dimensioni fino ad
inglobare la terra.
Dopo la fine della terra impiegherà ancora circa un miliardo di anni per
diventare una nebulosa planetaria. Tra circa sette miliardi di anni si ridurrà ad una nana bianca, di
dimensioni simili a quelle della terra. Lo abbiamo desunto da poche decine di anni grazie alle
informazioni ottenute osservando il sole con telescopi di diversa tecnologia.
Un altro scopo dell’astronomia moderna è usare il cielo come laboratorio per capire la fisica qui.
Ad esempio l’elio, oggi usato in medicina, ma anche nei palloncini, prima che sulla terra è stato
scoperto nello spazio, abbinando uno spettroscopio ad un telescopio. E’ difficilissimo da trovare in
quanto sulla terra ce n’è poco, è inerte, ed ha una molecola molto piccola. La sua esistenza si
sarebbe potuta dedurre dalla tavola di Mendelejev. Nell’universo invece il 25% della materia è
elio, il 74% è idrogeno, e tutte le altre sostanze insieme fanno si e no l’1%.
Altro esempio: si usa lo spazio per validare l’attendibilità della relatività generale.
Ricordiamo che:
− Nella relatività ristretta abbiamo la dilatazione del tempo, le dimensioni dipendono dalla
velocità relativa, e la massa è una forma dell’energia.
8
Arecibo, in Portorico, sede di un gigantesco telescopio
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− Nella relatività generale, in più, si sostiene che la gravità non sia più una forza, ma
diventa una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo.
Lo spazio-tempo è
deformato dalle masse, e tale deformazione condiziona (o addirittura causa)il moto dei
pianeti. Il Possenti proietta una immagine di una superficie deformata in uno spazio
tridimensionale, e la propone come metafora di un continuum tridimensionale deformato
in uno spazio tetradimensionale (non immaginabile né rappresentabile ai nostri sensi).
In tale rappresentazione, dichiaratamente
inadeguata, si vede la superficie deformata dalle
masse. Una sferetta che passassa nelle vicinanze
dovrebbe “cadere” con velocità crescente
nell’affossatura provocata dalla massa, e quindi
“cadere” su di essa. Quindi tale caduta non
sarebbe causata dalla attrazione della massa
maggiore, ma solo da fenomeni di natura
“geometrica”9 . Il concetto di forza di gravità
sarebbe solo una nostra inadeguata congettura per
spiegare ciò che si spiega meglio ed in modo più
generalizzato con il concetto di curvatura dello spazio-tempo.
Se tutto ciò fosse congruente con la realtà fenomenica, due corpi celesti reciprocamente orbitanti
dovrebbero emettere onde gravitazionali, cioè ondulazioni dello spazio tempo che dovrebbero
propagarsi nello stesso spazio tempo perdendo progressivamente energia, come onde a cerchio sulla
superficie di uno stagno causate da due rane che nuotassero una attorno all’altra. Infine, sempre
nell’ipotesi della congruenza con la realtà fenomenica, dei corpi massicci dovrebbero deviare la
luce.
A seguito dell’esposizione di queste teorie negli ambienti scientifici si è scatenata la corsa
all’esperimento capace di falsificarle 10 . Non è possibile sperimentare sulla terra, servono spazi e
masse troppo grandi, quali si trovano solo nel cosmo. Ad esempio la deviazione della luce in
prossimità di una grande massa è stata verificata nel 1919 con l’esperimento di Eddington11 : si vide
che una stella sembrava spostarsi quando la sua luce lambiva la superficie del sole.
Oggi si sperimenta bene con le pulsar, stelle di neutroni. Se sono molto più grandi del sole danno
luogo a nuclei con un diametro paragonabile a quello della città di Milano, supercondensati,
composti di neutroni. Ruotano violentemente ed emettono onde radio entro due fasci conici. Tali
fasci ruotano come le luci dei fari, e noi riceviamo un impulso ad ogni rotazione. Se ne conoscono
1878, catalogate dagli astronomi. Il radiotelescopio di Parkes12 consente di vederne circa mille.
Ce n’è una velocissima, il cui periodo è stato misurato con una precisione di 3/1015 , che si considera
essere la misura più precisa mai effettuata. Questi oggetti costituiscono orologi straordinari che ci
permettono di apprezzare fluttuazioni anche minime di altri fenomeni. Si è verificato che, come
previsto dalle teorie di Einstein, un’orbita passante tra due stelle di neutroni subiva un
restringimento. Una serie di misure effettuate tra il ’74 ed il ’93 hanno confermato la curva
predittiva della contrazione delle orbite, in armonia con quanto previsto dalla relatività generale.
9
correlati solo ad aspetti morfologici del continuum spazio temporale
cioè di dimostrarne la non validità. Ricordiamo che in campo scientifico non è possibile dimostrare
inconfutabilmente la validità di una teoria, che può essere considerata valida fintanto che non la si falsifichi
dimostrando che vi sono casi in cui essa perde capacità predittiva.
11
Eddington, 1882-1944, astrofisico inglese
12
Parkes, Australia, sede di un grande radiotelescopio
10
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La ricerca è terminata nel ’93, quando è valsa un Nobel. Poi si è individuata una Pulsar doppia
(unico caso sulle 1878 Pulsar conosciute). Le misure condotte in cinque anni su tale Pulsar doppia
hanno mostrato scostamenti inferiori allo 0,05% rispetto a quanto previsto dalle teorie di Einstein.
Per il futuro si prevede l’uso di altri potentissimi telescopi: all’infrarosso in Bolivia, ottico nello
spazio ed in Cile, ad onde radio in Sardegna ed in Australia.
Gli scopi dell’astronomia del futuro vedranno:
− L’uso del cosmo come laboratorio
− La ricerca cosmologica, particolarmente le indagini sugli albori dell’universo
− L’astrobiologia, ricerca di condizioni di vita nel cosmo.
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1.2
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DIBATTITO
Intervento 1 – Dal Big Bang nasce lo spazio tempo. Per la luce l’universo è ancora a quel punto?
Risposta 1 – La velocità della luce nel vuoto è un assoluto non superabile, tutti i discorsi che
presumevano di superare tale valore con considerazioni sulle velocità relative sono stati
falsificati. Ma non posso sedermi su un raggio di luce, a quella velocità la massa richiesta
sarebbe infinita, e quindi per i sistemi fisici il tempo passa.
Intervento 2 – Chi studia l’immensamente grande (astronomia) ha rapporti con chi studia
l’infinitamente piccolo (CERN). E’ vero che fuori dalla terra c’è gelo e tenebra?
Risposta 2 – Argomento interessante che non è stato inserito nella conferenza per limiti di
tempo. Uno dei prossimi obiettivi è lo studio dei primi istanti dell’universo, con densità di
energia molto maggiore di quella attuale. Si può regredire fino alla prossimità del big bang,
trovando materia molto densa, tutta neutroni e molto calda. Regredendo ancora la materia
diventa un brodo indifferenziato di particelle elementari: elettroni, neutrini, muoni, pioni,
ecc., fino ai mattoni primi da cui è costituito l’universo. A questo punto andiamo al CERN
per giocare con le particelle. Ne manca ancora una, il Bosone, ipotizzato in teoria ma mai
individuato sperimentalmente. Se lo si trovasse, e se il suo livello energetico fosse quello
previsto, il modello supererebbe i tentativi di falsificazione. Si può cercare ancora al CERN
o direttamente nel cosmo. Quanto al buio, nello spazio manca l’aria, e quindi non ci sono i
fenomeni di rifrazione e diffrazione che ci fanno vedere azzurro il cielo. Si è al buio, ma
attenzione a non guardare verso il sole!
Intervento 3 – Nelle scienze della vita si parla del fattore caso. In astrofisica c’è posto per il caso?
Risposta 3 – Inaspettatamente, ed entro certi limiti, nell’infinitamente piccolo la risposta è
positiva. La fisica quantistica ed il principio di indeterminazione fanno passare dal
determinismo al probabilismo. Invece nell’infinitamente grande la probabilità complessiva è
tanto vicina ad uno da tornare al determinismo. Non c’è ancora una teoria unificatrice.
Intervento 4 – Secondo lei la ricerca scientifica tende all’elaborazione di modelli predittivi o
persegue una speranza di verità noumenica?
Risposta 4 – Il metodo scientifico prevede osservazioni, elaborazione di modelli e procedure
di falsificazione. Tale metodo è generalizzato e funziona bene, ma riguarda essenzialmente
le interazioni tra colleghi. Nell’attività del singolo si può lavorare anche su teorie non
presentabili in quanto non falsificabili. La posizione è sintetizzabile con “intanto procedo,
poi vedremo …”. Lui, Possenti, nella vita non si sente paradigmatico (non chiarissimo,
probabilmente intende che non si sente di proporre la propria risposta come significativa per
la categoria degli astrofisici).
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1.3
1.3.1
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IL CIELO, LA TERRA
RIFERIMENTI
ANDREA POSSENTI
Si veda la seguente pagina web:
1.3.2
COMETA DI HALLEY
http://it.wikipedia.org/wiki/Cometa_di_Halley
Edmond Halley si accorse che le caratteristiche della cometa del 1682 erano quasi le stesse della cometa apparsa nel
1531 (osservata da Pietro Apiano) e nel 1607 (osservata da Giovanni Keplero a Praga); Halley concluse che tutte e tre le
comete erano lo stesso oggetto che ritornava ogni 76 anni. Dopo una stima approssimativa delle perturbazioni che la
cometa doveva sostenere a causa dell'attrazione dei pianeti, predisse il suo ritorno per il 1757.
Halley aveva ragione, sebbene la cometa non fu vista fino a dicembre del 1758, e non passò al suo perielio fino a marzo
1759; l'attrazione di Giove e Saturno causò un ritardo di 618 giorni, come calcolò il matematico Alexis Clairault prima
del ritorno della cometa.
Halley non visse abbastanza per vederne il ritorno. Morì nel 1742.
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