La rappresentazione del cosmo nel corso dei secoli

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1 XIV Settimana della Cultura Scientifica C.N.R. per le scuole Palermo, 24 marzo 2004 IASF-PA ciclo di seminari Vita e Morte nell Universo La rappresentazione del cosmo nel corso dei secoli Rosolino Buccheri

2 La rappresentazione del cosmo nel corso dei secoli Il processo di evoluzione della conoscenza integrazione di credenze ed esperienza vissuta interazione società-individuo formazione di teorie condivise sull universo

3 Le osservazioni astronomiche per la rappresentazione del cosmo Per quanto riguarda la rappresentazione del cosmo su grande scala, l osservazione del cielo è sempre stato lo strumento fondamentale. Fin dai tempi più antichi, tutti i popoli si sono sempre chiesti quali fossero le origini del cielo e della terra, il perché dell'alternarsi del giorno e della notte, dei variabili aspetti della luna, dell'alternarsi delle stagioni. Le conoscenze astronomiche rispondevano ad esigenze pratiche e concrete come la previsione delle stagioni, delle piene dei fiumi o il calcolo dei giorni in cui celebrare riti religiosi. Per misurare il tempo gli egizi inventarono strumenti molto precisi come le clessidre e gli orologi solari o ad acqua e formularono un calendario diviso in 12 mesi e in giorni di 24 ore.

4 Origini dell astronomia Le origini dell astronomia risalgono ad alcune di migliaia di anni fa come è documentato da ritrovamenti archeologici fra cui la grande piramide egizia e il complesso megalitico di Stonehenge, tutti del 3000 a.c. circa.

5 Zodiaco circolare egiziano (54-21 a.c.) Lo zodiaco circolare del tempio della dea Hathor nella città di Dendera, la mappa più completa di tutto il cielo antico e la più antica e importante rappresentazione delle costellazioni dello zodiaco.

6 La grande regolarità dei moti apparenti delle stelle, del Sole e della Luna erano interpretati come opera di un dio e ogni fenomeno inaspettato o inusuale come le eclissi di sole e di luna, o l'apparizione di una cometa, era fonte di timore che il dio fosse adirato. La rappresentazione del cosmo di allora era influenzata da queste credenze e l astronomia veniva usata come strumento per interpretare i voleri degli dei e meglio comprenderne le volontà. Timore degli dei Eclisse di sole

7 Cosmologie primitive Tutti i popoli primitivi si rappresentavano il cosmo in modo più o meno simile. La terra, l ambiente dell uomo e degli animali, era piatta e circolare come l'orizzonte e poggiava su colonne (secondo i cinesi e gli ebrei) o su elefanti sul dorso di una tartaruga (secondo gli indiani) ed era circondata da un grande fiume o da un'infinita distesa d'acqua. Sotto la terra abitavano i defunti. Il cielo era il luogo dove vivevano gli dei. da Omero

8 Credenze ed esperienze Una caratteristica peculiare di alcune cosmologie primitive era la credenza che il sole si nascondeva sotto terra a occidente quando scendeva la notte e riappariva poi a oriente, quando spuntava l'alba, scambiando così la causa con l'effetto. In altre cosmologie il sole di notte percorreva in senso inverso il cammino percorso di giorno, ma inviando la sua luce verso il cielo invece che sulla terra. L osservazione che la vita vegetale ed animale sbocciava con più facilità quando la pioggia o le piene del Nilo bagnavano la terra, portò gli Egizi a immaginare che il mondo fosse stato originato dall'incontro della terra con l'acqua, incontro dovuto comunque all opera di un dio.

9 L astronomia in Grecia L astronomia fece un improvviso e importante salto di qualità dal IV secolo a.c. in poi per il contributo dei filosofi greci. La grande differenza rispetto ai loro predecessori consistette nel fatto che essi cercavano di connettere razionalmente i fenomeni celesti conosciuti, anche utilizzando la matematica. Parmenide (circa a.c.), Democrito (circa 470 a.c.) e Filolao (circa a.c.) conoscevano i 5 pianeti principali (Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno), si erano resi conto che la stella della sera e la stella del mattino erano lo stesso pianeta (Venere) e avevano capito che la terra era sferica e che le eclissi di luna erano causate dall'interporsi della terra fra il sole e la luna.

10 Successi dell astronomia greca Fra i maggiori successi degli astronomi greci: il rapporto fra la distanza della luna e quella del sole (Aristarco (III secolo a.c.); la misura del raggio terrestre (Eratostene a.c.); la misura della parallasse lunare (Ipparco); il primo catalogo delle stelle osservabili a occhio nudo (Ipparco, a.c.).

11 Circolare è perfetto Nonostante questi importanti successi sussistevano credenze e pregiudizi. Poiché la sfera, il cerchio e la circonferenza erano considerate figure geometriche non perfettibili, si ritenne che il sole, la luna e i pianeti fossero sfere perfette che si muovevano attorno alla Terra su orbite circolari concentriche; la più vicina alla Terra era la luna, seguita da Mercurio, Venere, il sole, Marte, Giove, Saturno e infine le stelle.

12 Il sistema geocentrico di Eudosso di Cnido ( a.c.) Matematico, allievo di Platone nella Accademia, concepì un modello in cui i corpi celesti erano fissati su sfere concentriche rispetto alla Terra, immobile al centro dell universo. La sfera più esterna era quella delle stelle fisse e si muoveva di moto circolare uniforme. Gli altri corpi celesti erano collocati su 27 sfere con un gruppo di sfere per ognuno dei sette corpi celesti conosciuti (3 per il Sole, 3 per la Luna e 4 per ciascuno dei cinque pianeti allora conosciuti).

13 Il geocentrismo di Aristotele ( a. C.) Le stelle erano dei fori luminosi posizionati sulla superficie della sfera più esterna che si muoveva di moto circolare giornaliero. I diversi movimenti del Sole venivano spiegati supponendo che la sfera su cui poggiava fosse soggetta contemporaneamente ad una rotazione giornaliera e ad una annuale in senso contrario con una particolare inclinazione del suo asse. Le rimanenti sfere celesti, ospitavano ciascuno uno dei cinque pianeti allora conosciuti con Mercurio e Venere al di qua e Marte, Giove e Saturno al di là della sfera solare.

14 Il sistema eliocentrico di Aristarco di Samo ( a.c.) Il sole era fermo al centro dell Universo e la Terra e i pianeti gli giravano intorno ruotando anche attorno a sé stessi. Il moto di rotazione delle stelle fisse e degli altri corpi celesti era solo apparente e dovuto alla rotazione diurna della Terra attorno al proprio asse. I sistemi filosofici e religiosi dominanti, fondati sulla separazione fra la Terra e il Cielo non potevano accettare l idea che la Terra non fosse immobile al centro dell Universo ma un pianeta vagante nello spazio, ancorché con moto circolare.

15 Il sistema tolemaico Basandosi sulla concezione aristotelica, Claudio Tolomeo immaginò che il sole e i pianeti ruotassero su orbite circolari poggiate su sfere (dette epicicli) il cui centro era trascinato dal moto circolare di altre sfere indipendenti e concentriche alla Terra (sfere deferenti). Il moto complessivo di ogni corpo celeste era dunque prodotto dalla composizione del moto delle due sfere.

16 Orgoglio e pregiudizio La cosmologia tolemaica non fu una semplice sistemazione matematica di quella aristotelica: nel tentativo di giustificare per via matematica e geometrica le anomalie celesti introdusse elementi nuovi senza intaccare la sostanza del geocentrismo di cui Tolomeo non dubitava. Per sua esplicita ammissione, tuttavia, Tolomeo considerava il suo modello solo uno strumento matematico utile alla descrizione del mondo la cui natura vera non poteva essere conosciuta. Tolomeo riteneva solo di aver formulato un modello matematico di universo e considerava le combinazioni di moti circolari tramite epicicli, eccentrici, equanti e deferenti solo un utile espediente per prevedere le posizioni dei pianeti, senza pretendere che nei cieli le cose andassero veramente in quel modo.

17 Da Aristotele al medioevo Per l autorevolezza di Aristotele prima e di Tolomeo dopo, e nonostante Aristarco di Samo, l immagine sferica dell universo con la Terra immobile, imperfetta e corruttibile circondata dal cielo perfetto e incorruttibile ( composto di materia eterna, immutabile, unico e completo, senza spazio, né vuoto, né tempo al di là di esso ), si manterrà per tutto il medioevo, in accordo con il contesto filosofico-religioso. Tale concezione pregiudiziale fu dannosa per la crescita del sapere occidentale che rimase ancorato per secoli alle tesi di Aristotele non pensando mai di verificarle con osservazioni e misure precise.

18 L universo di Dante Alighieri Dante Alighieri riprenderà fedelmente nella Divina Commedia la concezione di un universo geocentrico tramandato dai Greci facendo precisi riferimenti alle posizioni delle stelle, del Sole, dei pianeti e della Luna nel corso del viaggio verso l oltretomba. La rappresentazione del cosmo di Dante unisce la concezione cosmologica aristotelica e l astronomia tolemaica con le dottrine teologiche dell epoca. Gli elementi del sistema tolemaico (De sphaera mundi, G. Sacrobosco, sec. XIV)

19 Nicolò Copernico ( ) Polacco, riprese l ipotesi di Aristarco di Samo sulla teoria eliocentrica, arricchendola di nuove misure delle distanze dei pianeti e dei loro periodi di rivoluzione. Anche Copernico rimase vittima del pregiudizio che le orbite dovevano essere circolari perché il circolo era la figura perfetta, il che lo costrinse a complicare notevolmente il suo sistema.

20 La rivoluzione copernicana Copernico si era reso conto che il sistema geocentrico non spiegava bene i moti planetari e che il sole doveva trovarsi al centro di quello che era allora considerato «l'universo». Costruì quindi una nuova cosmologia in base alla quale il sole è immobile al centro dell'universo mentre la terra e i pianeti ruotano su orbite circolari intorno ad esso, dando così la prima scossa (rivoluzione copernicana) decisiva all imperante sistema geocentrico tradizionale.

21 I moti retrogradi apparenti Copernico era convinto che i complicati moti retrogradi dei pianeti vengono meglio spiegati se immaginiamo il sole fermo al centro del sistema solare e la terra in rotazione intorno al sole e su se stessa. In questo modo, l apparente moto retrogrado dei pianeti si riduce a una conseguenza del moto relativo della terra e dei pianeti e del fatto che i pianeti vengono osservati dalla terra in movimento. Per esempio, il pianeta Marte, essendo più esterno, si sposta più lentamente della terra; ne segue che la terra, raggiunta la linea di congiunzione Sole-Marte, sorpasserà Marte che appare così muoversi di moto retrogrado.

22 Soltanto un modello, non la realtà Nella sua opera De revolutionibus orbium coelestium (pubblicato solo nel 1543 prima di morire) Copernico descrisse la teoria eliocentrica come un semplice modello per meglio rappresentare e prevedere i moti dei pianeti senza la pretesa di dire l ultima parola sulla realtà fisica dei cieli e dei corpi celesti. Lo studio di Copernico a Frauenberg

23 Il primato delle Sacre Scritture Il fine lavoro di Copernico aveva messo in luce che le osservazioni dei pianeti erano interpretati con maggiore semplicità dalla teoria eliocentrica. D altra parte, fra il 1400 e il 1500, anche a causa del nascente protestantesimo, tutta l Europa era scossa da violenti dibattiti teologici e mettere in crisi il modello geocentrico poteva significare una perdita di credito dell autorità delle Sacre Scritture e scuotere fin dalle fondamenta tutto l edificio della filosofia e della teologia.

24 Cattolici e luterani d accordo La terra al centro del mondo sembrava molto più coerente con il racconto biblico della Genesi mentre il modello eliocentrico, che trasformava la terra in un pianeta vagante nello spazio, sembrava inconciliabile con l assunto filosofico-religioso della centralità dell uomo nell universo. Il timore era talmente elevato che sia la Chiesa cattolica che quella luterana furono subito d accordo sul bisogno di mantenere il modello geocentrico e rifiutare quello eliocentrico.

25 Tycho Brahe ( ) ritorno al geocentrismo Brahe fu contrario alla teoria eliocentrica di copernico e ritornò al geocentrismo ma propose una teoria alternativa con la Terra immobile al centro dell universo intorno alla quale ruotano la Luna, la sfera delle stelle fisse e il Sole attorno al quale orbitano i pianeti. Il sistema solare secondo Tycho Brahe

26 Johannes Kepler ( ) Profondamente religioso, Keplero era convinto che Dio avesse creato l'universo secondo un preciso piano matematico che poteva essere svelato analizzando in modo accurato i dati osservativi di archivio e spese la propria vita nella ricerca di esso. Per Keplero, aderente all eliocentrismo copernicano, il sole è il centro e l anima dell universo e supera in splendore e bellezza il resto del creato. E immobile ma fonte di movimento, è l immagine stessa di Dio mentre i pianeti hanno un attività di moto secondaria, dipendente dal sole e le stelle sono in quiete.

27 Il primo fisico teorico? Keplero rappresenta il prototipo del fisico teorico: uno scienziato che si preoccupa non tanto di fare nuove misure, ma di interpretare quelle a disposizione. Le leggi da lui trovate, oltre a valere per il sistema solare, si rivelarono valide per qualsiasi altro sistema di masse in rivoluzione attorno ad altre masse, in particolare anche per i satelliti artificiali orbitanti attorno alla terra. Johannes Kepler

28 Le leggi di Keplero Utilizzando i dati delle osservazioni astronomiche di Brahe, trovò che la traiettoria descritta dalla terra non era circolare e che la posizione del sole era spostata rispetto al centro dell orbita. Formulò quindi la prima legge sul moto di un pianeta intorno al Sole con cui veniva abbandonata l'idea delle orbite circolari corrette da complicati epicicli: i pianeti descrivono intorno al Sole orbite ellittiche di cui il Sole occupa uno dei fuochi. Keplero si rese conto che la velocità della terra era maggiore in prossimità del perielio che dell afelio e formulò la seconda legge: Le aree descritte dal raggio vettore tracciato dal sole ai pianeti sono proporzionali ai tempi impiegati a descriverle. Infine, dalla misura dei periodi di rivoluzione dei vari pianeti ricavò la terza legge: I quadrati dei tempi impiegati dai pianeti a descrivere le proprie orbite sono proporzionali ai cubi dei semiassi maggiori delle rispettive orbite ellittiche.

29 Galileo Galilei ( ) Con l'utilizzazione sistematica del cannocchiale, Galileo aprì l'era dell'astronomia telescopica giungendo a straordinarie scoperte che portarono prove decisive a favore del sistema copernicano, dimostrano l'infondatezza della cosmologia aristotelica. Osservò la luna, gli anelli di Saturno, le fasi di Venere, l'ammasso stellare della Via Lattea, le macchie solari e i satelliti di Giove che dedicò al granduca Cosimo II dei Medici chiamandoli "pianeti medicei".

30 Non tutto gira attorno alla terra La scoperta che la Luna ha un aspetto simile alla Terra, con valli e montagne smentiva l ipotesi della perfezione e immutabilità dei corpi celesti, in forza della quale la loro natura fisica doveva essere completamente diversa da quella della Terra. La scoperta dei satelliti di Giove costituì la prima dimostrazione diretta che non tutto gira intorno alla Terra, e che esistono sistemi planetari indipendenti dalla Terra.

31 La vicenda di Galileo 1611: i gesuiti del Collegio Romano confermano le sue scoperte e Paolo V lo accoglie benevolmente a Roma 1613: prime diffidenze e sospetti da parte dell Inquisizione, forse fomentate dai suoi nemici 1616 il sant Uffizio condanna la teoria copernicana e il cardinale Roberto Bellarmino, convoca Galileo e gli impone il divieto di esprimersi in qualunque modo sulla questione avendone promessa di obbedienza : l apparizione di tre comete provoca un intervento del Collegio Romano contestato da Galileo (Discorso sulle comete) 1632: Compromesso con il Vaticano. Nel Dialogo dei massimi sistemi, il sistema copernicano viene supposto come ipotesi matematica e non verità assoluta. Un anno dopo l Inquisizione ordina di sospendere la vendita, richiede a Galileo l abiura e lo condanna al carcere. Da prigioniero fa pubblicare il Olanda il trattato delle Nuove Scienze.

32 Galileo - rigore e comprensibilità nella comunicazione scientifica Galileo Galilei può essere considerato come un innovatore della comunicazione scientifica, fino ad allora limitata a ristretti circoli di elite. Galileo era convinto che la scienza non dovesse chiudersi in un tecnicismo indifferente alla comunicazione e intese comunicare le sue scoperte a tutte le persone colte ed attente al progresso della conoscenza, non solo agli accademici e agli studiosi. Usò il volgare, abbandonando il latino filosofico-scientifico allora ancora predominante nelle università e nella comunità scientifica internazionale. Nonostante ciò, la prosa di Galileo si caratterizza per la ricerca di un'estrema precisione evitando l'indeterminatezza e descrivendo la realtà con termini rigorosi valutando la connessione esistente tra i nomi usati e la realtà descritta.

33 Anche comunicazione di emozioni L'impostazione dialettica della nuova scienza fonda la veridicità delle sue affermazioni sul confronto tra ipotesi e dati sperimentali, sul confronto e sullo scontro di ipotesi provvisorie. Tuttavia, Galileo si pose il problema di persuadere anche emotivamente gli altri uomini, oltre che convincerli con la forza del ragionamento, costringendoli progressivamente a una presa di posizione attiva. Per conseguire il suo intento Galileo utilizzava anche l'ironia, che crea momenti di distacco e sospensione sbeffeggiando le false credenze e le false teorie.

34 Isaac Newton ( ) Newton nasce esattamente un anno dopo la morte di Galileo e, come in un'ideale staffetta, egli riprende da Galileo il testimone della scienza moderna. Con Newton la rivoluzione scientifica iniziata da Copernico e Galilei giunge a compimento, sia sul piano del metodo che su quello dei contenuti pervenendo alla rappresentazione dell universo che è ci oggi familiare.

35 Il sistema solare e l universo In tutti questi secoli, tranne per poche eccezioni riscontrabili in letteratura, per universo si intendeva il sistema solare, geocentrico o eliocentrico che fosse e le stelle erano solo lo scenario su cui si muovevano i pianeti. Fra le eccezioni ricordiamo Democrito ( a.c.) che sospettava che la Via Lattea fosse un addensamento di lontanissime stelle, Epicuro ( a.c.) che credeva all'esistenza di infiniti mondi, e così pure Lucrezio (97-55 a.c.) e Giordano Bruno ( ) che scrisse: esistono innumerevoli soli; innumerevoli terre ruotano attorno a questi similmente a come i sette pianeti ruotano attorno al nostro sole. Questi mondi sono abitati da esseri viventi. Per queste sue idee eretiche Giordano Bruno fu mandato al rogo il 17 febbraio 1600.

36 Terra e cielo non più diversi Gli studi di Newton sono fondamentali per la nascita dell'ottica moderna, del calcolo infinitesimale, della cosmologia e della meccanica che viene appunto detta "newtoniana". Newton unificò il mondo terrestre con quello celeste; dimostrò, infatti, che i corpi che cadono "naturalmente" sulla Terra e i moti dei corpi celesti obbediscono ad una unica legge: la legge di gravitazione universale: F= G M m/ r² (dove G è la costante di gravitazione universale) esprimente matematicamente il concetto che due corpi si attraggono in modo direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e in modo inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

37 Spazio e tempo assoluti Alla radice della prodigiosa sintesi di Newton (espressa nell opera fondamentale Philosophiae naturalis principia mathematica) stavano dei presupposti di carattere filosofico, attinenti ad una generale considerazione del tempo e dello spazio, qualificati entrambi come "assoluti". Il "tempo assoluto" era, secondo Newton, la "durata" indefinita entro cui si collocava la successione relativa degli eventi, mentre lo "spazio assoluto" costituiva, a sua volta, lo scenario dove avvenivano tutti i fenomeni fisici dell'universo. In tal senso, lo spazio veniva a connotarsi nei termini di un infinito contenitore tridimensionale vuoto che accoglieva ogni cosa. Uno spazio vuoto era, dunque, per Newton, non solo ammissibile, ma anzi assolutamente imprescindibile ai fini della costruzione della nuova fisica, rappresentando la "vacuità" la caratteristica saliente della nozione stessa di spazio.

38 Oltre il sistema solare Un vero e proprio allargamento degli orizzonti dell'universo cominciò solo nel Settecento. William Herschel ( ) cominciò l'osservazione sistematica delle stelle, della loro distribuzione nel cielo e catalogò numerose nebulose, estendendo un primo catalogo di oggetti non stellari compilato dal francese Charles Messier ( ). Dai conteggi stellari, ammettendo che le stelle più deboli fossero anche le più lontane, William Herschel si rese conto che il sistema di stelle chiamato «Via Lattea» aveva una forma appiattita, come un disco, e poiché il numero di stelle osservabili cresceva con la distanza in modo uniforme in tutte le direzioni, dedusse che il sole doveva trovarsi al centro della Via Lattea. Alle stesse conclusioni arrivò più di un secolo dopo Jacobus Cornelius Kapteyn ( ), pur utilizzando più attendibili metodi di stima delle distanze stellari.