La struttura dell`Universo.
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!"#!$% a cura di !"#$%&'()$&**+'- Coordinatore Gruppo Ambiente Territorio ed Energia La struttura dell'Universo. !"#$%&'()$&*+",&-+#*$,!*!"+."$"-+#/+)$&*!0+*1$"2(,,+22$%$3 Premessa Passeggiando sotto i portici della città felsinea, all’incrocio tra le vie Galliera e dei Mille, si può notare una lapide che commemora il V centenario della nascita di un celebre personaggio polacco, vissuto tra Cinquecento e Seicento, emigrato in giovane età e soggiornato per quasi un decennio in Italia a perfezionare i suoi studi di matematica ed astronomia nelle prestigiose Università di Bologna, Ferrara e Padova. Stiamo parlando di Mikolaj Kopernik (nome latinizzato in Nicolaus Copernicus), nato a Torun in Polonia nel 1473, scienziato protagonista della più grande rivoluzione che ha sconvolto le precedenti teorie astronomiche, difese dalla chiesa per oltre un millennio. Egli infatti con le sue osservazioni e le sue intuizioni ha dato origine ad una nuova definizione della struttura del nostro sistema solare e delle leggi che regolano il moto degli astri nell’Universo. La lapide porta la scritta riportata più sotto. mortali, confrontando il DNA di alcuni capelli ritrovati in un volume di proprietà dallo scienziato con quello dei resti umani di una tomba della cattedrale. La cerimonia di traslazione delle spoglie di Copernico in una definitiva sepoltura della stessa cattedrale di Frombork è avvenuta con tutti gli onori il 22 maggio del 2010. Una lapide in granito nero lo identifica come il fondatore della teoria eliocentrica: la lapide reca una rappresentazione del modello copernicano del sistema solare, un sole d’oro circondato da sei pianeti. Nei capitoli successivi si riassumono i principali elementi della antica teoria geocentrica di Tolomeo e quelli della nuova rivoluzionaria teoria eliocentrica di Copernico, accennando infine ai determinanti contributi che apportarono per il completo assetto del quadro regolatorio generale gli scienziati Galvani, Keplero, Newton ed infine Einstein nei secoli successivi. Copernico morì a Frombork (Frauenburg) in Polonia a 70 anni di età e fu sepolto in una fossa comune della locale cattedrale. Le sue spoglie andarono quindi disperse. Soltanto nel nostro secolo un gruppo di studiosi, dopo ricerche durate tre anni, ha potuto identificare i suoi resti Per eventuali approfondimenti è possibile consultare anche l’enciclopedia elettronica Wikipedia alle voci corrispondenti agli scienziati citati. 14 La teoria geocentrica tolemaica La teoria tolemaica fu esposta da Claudio Tolomeo (Pelusio 100-175 Filo Diretto Dirigenti Ottobre 2010 d.C.) astrologo, astronomo e geografo greco nella sua opera “Almagesto”, che come molte opere greche classiche è giunta fino a noi soltanto nella traduzione araba e successivamente in quella latina del Duecento di Gerardo da Cremona. Lo scienziato raccolse le conoscenze astronomiche del mondo greco basandosi soprattutto sul lavoro svolto tre secoli prima da Ipparco (Nicea 190-120 a.C.), Tolomeo formulò un modello geocentrico, in cui solo il Sole e la Luna, considerati pianeti, avevano il proprio epiciclo, ossia la circonferenza sulla quale si muovevano, centrata direttamente sulla Terra. Questo modello, che da lui prenderà il nome di “sistema tolemaico”, rimase il riferimento per tutto il mondo occidentale. L’elenco di quarantotto costellazioni che è contenuto nell’Almagesto è però parziale rispetto a quello delle costellazioni oggi conosciute, non potendo coprire l’intera volta celeste poiché questa non è completamente accessibile dalle latitudini del Mediterraneo in cui visse Tolomeo. La Chiesa ha sempre appoggiato nel corso dei secoli la teoria geocentrica tolemaica, condannando come eretiche tutte le altre teorie, ed ispirandosi alla Sacra Bibbia che nel Libro storico di Giosuè, al capitolo 10, così recita: “Fermati, o sole!” 12 Quel giorno, quando il Signore diede a Israele la vittoria sugli Amorrei, Giosuè pregò il Signore e gridò alla presenza di tutti gli Israeliti: “Sole, fermati su Gabaon! e tu, luna, sulla valle di Aialon! 13 Il Sole si fermò, la Luna restò immobile, un popolo si vendicò dei suoi nemici”. Questo avvenimento è descritto nel “Libro del Giusto”; per quasi 14 un giorno intero il Sole restò in alto in cielo, senza avviarsi al tramonto. Un giorno come quello non c’è mai stato né prima né dopo di allora, quando il Signore ubbidì a un essere umano e combatté al fianco d’Israele. La teoria eliocentrica copernicana La teoria copernicana - che propone il Sole al centro del sistema di orbite dei pianeti componenti il sistema solare - riprende quella greca di Aristarco (Samo 310-230 a.C.) dell’eliocentrismo, la teoria -rifiutata da Tolomeo- opposta al geocentrismo, che voleva invece la Terra al centro del sistema. Merito di Copernico, non è dunque l’idea, già espressa dai greci, ma la sua rigorosa dimostrazione tramite procedimenti di carattere matematico. L’unica e fondamentale opera del grande scienziato polacco, dal titolo “De revolutionibus orbium coelestium” venne stampata nella versione definitiva soltanto nel 1543, anno della sua morte, ma le prime versioni manoscritte risalgono ai primi anni del Cinquecento. L’estrema prudenza nel dare alle stampe i risultati dei suoi studi è da attribuirsi al fatto che Copernico non senza ragione, temeva la prevedibile reazione che le sue idee, per certi versi destabiliz- zanti, avrebbero potuto suscitare soprattutto nella Chiesa. Il cardinale di Capua, Nicola Schonberg gli richiese infatti una copia del manoscritto. Il libro contiene gli elementi più salienti della teoria astronomica dei nostri tempi, comprese una corretta definizione dell’ordine dei pianeti, della rivoluzione quotidiana della Terra intorno al proprio asse, della precessione degli equinozi. Queste asserzioni rappresentavano l’esatto opposto di quanto affermava la teoria geocentrica, allora comunemente accettata. Esse mettevano quindi in discussione tutto il sistema di pensiero prevalente in filosofia e religione. Chi ha OCCHIO sceglie... Ottica Firenze SPECIALISTI IN LENTI A CONTATTO Via Firenze, 6/G • Bologna Tel. 051 463471 www.otticafirenze.it Solo per gli Associati e loro familiari fantastiche condizioni: 25% 20% 25% su occhiali da vista su occhiali da sole su lenti a contatto semirigide Vantaggiose offerte su lenti a contatto “usa e getta” E in più: controllo della vista GRATUITO, applicazione di tutti i tipi di lenti a contatto, laboratorio interno per montaggio lenti TANTA BIGIOTTERIA D’AUTORE PER LE TUE IDEE REGALO Filo Diretto Dirigenti Ottobre 2010 15 !"#!$% Nicolò Copernico 1473-1543 Il sistema copernicano può sintetizzarsi in sette assunti, così come dal medesimo autore enunciati in un compendio del De revolutionibus ritrovato e pubblicato nel 1878. In questo compendio, che ha per titolo “De hypothesibus motuum coelestium commentariolus”, Copernico presentò le sette petitiones che dovevano dare vita ad una nuova astronomia. La teoria di Copernico non era però senza difetti, o almeno senza punti che in seguito si sarebbero rivelati fallaci, come per esempio l’indicazione di orbite circolari, anziché ellittiche -come oggi sappiamo- dei pianeti. Il De revolutionibus, pur non presentandosi come un testo rivoluzionario, aprì questioni che fecero franare l’intero sistema tolemaico, a causa del suo instabile equilibrio. Copernico fu molto attento a non assumere atteggiamenti rivoluzionari, né con la sua condotta di vita, né nelle sue opere, e potè quindi vivere serenamente e giungere naturalmente al termine della sua esistenza. Non fu così per il monaco Giordano Bruno (Nola 1548-Roma 1600), che per difendere le teorie copernicane, ma soprattutto per i suoi scritti con16 tro la teologia e la curia romana, fu messo sotto processo per eresia dalla Santa Inquisizione, rifiutò di abiurare, fu torturato ed infine condannato a morte e bruciato vivo nel 1600 in Piazza dei Fiori a Roma. Scrive Giordano Bruno di Copernico: “Uomo che non è inferiore a nessuno astronomo che sii stato aventi lui [...] al che è divenuto per essersi liberato da alcuni presupposti falsi de la comone e volgar filosofia, non voglio dir cecità”. In appoggio a Copernico Bruno spiega che “il modo e la causa del moto della terra e della immobilità del firmamento sono da me prodotte con le sue raggioni et autorità e non pregiudicano all’autorità della divina scrittura”. All’obiezione dell’inquisitore, che gli contesta che nella Bibbia è scritto che la “Terra stat in aeternum” e il Sole nasce e tramonta, risponde che vediamo il Sole “nascere e tramontare perché la terra se gira circa il proprio centro”. I perfezionamenti della teoria copernicana Furono due personalità molto differenti, ma quasi contemporanee, a compiere i passi decisivi che portarono a considerare la teoria di Copernico una realtà fisica e non un semplice espediente matematico: Giovanni Keplero e Galileo Galilei. Johannes Kepler (Weil der Stadt 1571-Ratisbona 1630) matematico ed astronomo tedesco, a cui la debole vista non consentì di divenire -come avrebbe voluto- un grande astronomo osservativo, definì le tre leggi che regolano il movimento degli astri. Ricordiamo la prima legge che recita: “I pianeti percorrono orbite ellittiche di cui il Sole occupa uno dei fuochi”, che rettifica la definizione di orbite circolari dei pianeti data da Copernico. Filo Diretto Dirigenti Ottobre 2010 Giovanni Keplero 1571-1630 Sulla sua tomba è posta una lapide con inciso un epitaffio da lui dettato: “Il mio spirito ha misurato il cielo, ora misura la terra”. Galileo Galilei (Pisa 1564-Arcetri 1642) fisico, filosofo, astronomo e matematico italiano, è considerato il padre della scienza moderna. Il suo nome è associato ad importanti contributi in dinamica e in astronomia -fra cui il perfezionamento del telescopio, che gli permise importanti osservazioni astronomiche- e all’introduzione della sperimentazione scientifica (detta “metodo galileiano”). Le sue opere fondamentali sono: “Sidereus Nuncius” (1610), contenente la scoperta fatta utilizzando il suo telescopio di quattro satelliti di Giove, “Il Saggiatore” (1623) e “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo” (1630). Di primaria importanza furono il suo ruolo nella rivoluzione astronomica e il suo sostegno al sistema eliocentrico e alle teorie copernicane. Accusato di voler sovvertire la filosofia naturale aristotelica e le Sacre Scritture, Galileo -quasi settantenne- fu per questo condannato come eretico dalla Chiesa cattolica e costretto, nel 1633 all’abiura delle sue concezioni astronomiche, nonché a trascorrere il resto della sua vita in isolamento. E’interessante leggere quanto Galileo scrisse nel documento di abiura del 1633 per ottenere di avere salva la vita: “[...] con cuor sincero e fede non finta abiuro, maledico e detesto li suddetti errori et eresie e giuro che per l’avvenire non dirò mai più, né asserirò in voce o in iscritto cose tali per le quali si possa avere di me un simile sospetto”, e confrontarlo con il suo vero pensiero, trascritto in una lettera di soli nove anni prima all’amico Francesco Ingoli: “Non deve importare ad un vero cristiano cattolico che un eretico si rida di lui perché egli anteponga la riverenza e la fede che si deve agli autori sacri, a quante ragioni ed esperienze hanno gli astronomi ed i filosofi insieme” . Passeranno oltre quaranta anni dalla morte di Galileo, prima che uno scienziato, l’inglese Isaac Newton, possa dare risposta al quesito fondamentale relativo al moto dei pianeti, ossia definisca la natura della forza che regge il “Sistema del Mondo” e che consente che i pianeti orbitino attorno al Sole. Isaac Newton (Woolsthorpe 1643Londra 1727) è considerato una delle più grandi menti di tutti i tempi, poiché contribuì in maniera fondamentale a più di una branca del sapere. Pubblicò i “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” nel 1687, in cui descrisse la Legge di Gravitazione Universale e, attraverso le sue leggi del moto, creò i fondamenti per la meccanica classica. Newton fu il primo a dimostrare che le leggi della natura governano il movimento della Terra e degli altri corpi celesti. Egli contribuì alla rivoluzione scientifica e al progresso della teoria eliocentrica. A Newton si deve anche la sistematizzazione matematica delle leggi di Keplero sul movimento dei pianeti. Dopo altri 220 anni, un giovane ricercatore tedesco pubblicò una teoria che era destinata a sconvolgere di Galileo Galilei 1564-1642 Isaac Newton 1643-1727 nuovo le conoscenze fino ad allora acquisite sulla struttura dell’Universo. Albert Einstein (Ulm 1879-Princeton USA 1955), scienziato tedesco naturalizzato svizzero nel 1901, pubblicò nel 1905 la sua “Teoria della relatività ristretta”, alla quale fece seguire nel 1916 la “Teoria della relatività generale”. Nel 1921 ottenne il Premio Nobel per la Fisica. Nei confronti delle leggi che regolano la gravitazione universale secondo i canoni della meccanica classica, ossia secondo le leggi di Newton, Einstein sostiene nella relatività generale che la loro validità è limitata ai sistemi di riferimento inerziali, come in prima approssimazione può essere considerato il nostro sistema solare e quello delle stelle fisse (fra loro in moto rettilineo ed uniforme). Per altri sistemi più lontani val- Nicolò Copernico De Revolutionibus orbium coelestium Filo Diretto Dirigenti Ottobre 2010 17 !"#!$% Planisfero Copernicano gono leggi più complesse, nelle quali non deve essere valutato solo l’usuale “spazio” a tre dimensioni, bensì un nuovo spazio quadrimensionale denominato “spazio-tempo” con il tempo come coordinata aggiuntiva. Secondo la relatività generale la gravità altro non è che la manifestazione della curvatura dello spazio-tempo da parte della materia. Le predizioni fatte dalla teoria furono confermate dalle misurazioni eseguite nel 1919 durante un’eclissi solare, che verificarono che la luce emanata da una stella era deviata dalla gravità del Sole quando passava vicino a esso. con il sostegno teologico della Sacra Bibbia, fino all’avvento della teoria eliocentrica copernicana. Nei secoli Cinquecento e Seicento, si sono succeduti perfezionamenti del sistema eliocentrico copernicano per opera soprattutto di tre scienziati (Keplero, Galileo e Newton), che hanno completato il quadro del sistema di gravitazione universale, interpretandolo secondo i canoni della cosiddetta “meccanica classica”. Trascorsi infine altri due secoli e cioè il Settecento e l’Ottocento, all’inizio del Novecento è apparsa la Teoria della Relatività di Einstein. Non tutto è da rifare, ma da Einstein in poi fervide menti di scienziati (beatiful mind, diremmo oggi) sono Conclusioni in movimento per reinterpretare Per oltre un millennio, ossia fino al in maniera più estesa le leggi della Cinquecento, la teoria geocentrica natura. tolemaica ha resistito incontrastata, Appendice 18 Filo Diretto Dirigenti Ottobre 2010 1. I sette assunti di Copernico 1- Non vi è un unico punto centro delle orbite celesti e delle sfere celesti; 2- Il centro della Terra non è il centro dell’Universo, ma solo il centro della massa terrestre; 3- Tutti i pianeti si muovono lungo orbite il cui centro è il Sole. Il centro dell’orbita terrestre è il centro dell’Universo (il nostro sistema solare); 4- La distanza fra la Terra ed il Sole, paragonata alla distanza fra la Terra e le stelle del Firmamento, è infinitamente piccola; 5- Il movimento del Sole durante il giorno è solo apparente, e rappresenta l’effetto di una rotazione che la Terra compie intorno al proprio asse durante le 24 ore, rotazione sempre parallela a sé stessa; 6- La Terra (insieme alla Luna, ed esattamente come gli altri pianeti) si muove intorno al Sole ed i movimenti che questo sembra compiere (durante il giorno e nelle diverse stagioni dell’anno, attraverso lo Zodiaco) altro non sono che l’effetto del reale movimento della Terra; 7- I movimenti della Terra e degli altri pianeti intorno al Sole possono spiegare le stagioni e le altre particolarità dei movimenti planetari. 2. Le tre leggi di Keplero 1- I pianeti percorrono orbite ellittiche di cui il Sole occupa uno dei fuochi; 2- Un raggio vettore spazia aree uguali in tempi uguali; 3- Il rapporto tra il quadrato del periodo di rivoluzione e il cubo del semiasse maggiore dell’orbita è costante. 3. I tre principi di Newton 1- Primo principio (di inerzia): Ogni corpo persevera nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, a meno che non sia costretto a cambiare da forze impresse a mutare questo stato; 2- Secondo principio (variazione del moto): Il cambiamento di moto è proporzionale alla forza motrice impressa e avviene secondo la linea retta lungo la quale la forza è stata impressa (F = ma ossia: Forza uguale massa per accelerazione); 3- Terzo principio (di azione e reazione): Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.
