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Una branca della fisica, la cosmologia, studia e cerca di descrivere l’Universo, la sua origine, la sua struttura ed ipotizza il destino cui andrà incontro.

Fin dal lontano passato molti uomini si sono impegnati, in epoche e luoghi differenti, a trovare un “modello” per il Cosmo, utilizzando gli strumenti che avevano a disposizione o con una pura e semplice speculazione filosofica per arrivare a delineare la struttura effettiva dell’Universo.

Tra i popoli antichi adoratori degli astri spiccano gli Egiziani e gli Atzechi che dedicarono alle loro divinità celesti dei templi che definire colossali è quantomeno riduttivo; tralasciando le credenze mitologico-religiose, gli studi più antichi d’astronomia, giunti fino a noi, risalgono circa al 3000 a.C., data in cui si registrano le prime documentazioni d’avvenimenti astronomici eccezionali (ad esempio le eclissi).

I primi tentativi di formulare teorie sull’origine e forma dell’Universo, partendo dalle osservazioni, li abbiamo con i filosofi greci, ad incominciare da Talete, il quale riportava il principio di tutte le cose all’acqua, a Tolomeo che, con un sistema cosmologico elaborato su quello aristotelico, impose il suo modello fino alla Rivoluzione Scientifica, in altre parole fino a quando Copernico non cominciò ad andare contro queste teorie ormai superate ed obsolete, espressione di una mentalità già da tempo in declino.

Aristotele fu uno dei primi uomini a portare argomentazioni valide alla sfericità del globo terrestre: osservò che alcune stelle, visibili da Alessandria d’Egitto, non lo erano da altre città poste più a settentrione, che durante un’eclissi lunare l’ombra della Terra, proiettata sul nostro satellite, si presentava curva, confermando ulteriormente che la superficie terrestre non poteva essere piatta ma sferica.

Per citare un altro gran filosofo-matematico del periodo, Eratostene da Cirene, costui riuscì a misurare la circonferenza terrestre con una precisione nettamente superiore ai suoi colleghi umanisti.

Il gran passo che venne compiuto secoli e secoli dopo fu decisivo e cambiò radicalmente  non soltanto le conoscenze scientifiche  del periodo ma anche quelle riguardanti l’Uomo ed il posto che questo occupa nel mondo: dopo la caduta del sistema tolemaico niente sarebbe stato più lo stesso.

Le innovazioni del periodo rinascimentale si affermarono dalle esigenze sorte nel Tardo Medioevo per le quali la Natura è considerata autonoma da ogni altra forza diversa da se stessa ed autosufficiente , completamente slegata dai finalismi che vedevano in Dio l’artefice supremo del tutto e termine cui tutto tenderebbe.

Copernico nel suo libro “Le rivoluzioni degli astri celesti”, vedendo che il vecchio sistema, quello aristotelico-tolemaico che poneva la Terra e l’Uomo al centro dell’Universo, dopo essere stato modificato più e più volte per arginare alcune incalzanti critiche che gli furono mosse e per ovviare alle incongruenze più evidenti e palesi, che ancora sosteneva come verità assolute, decise di riproporre antiche filosofie, opportunamente rivedute e corrette, quali, ad esempio, quelle di Pitagora e di Eraclide Pontico, che al posto del geocentrismo proponevano l’eliocentrismo (sistema cosmologico che pone il Sole al centro dell’Universo). Attraverso queste teorie Copernico si persuase della possibilità effettiva di produrre una semplificazione del calcolo matematico dei movimenti celesti.

Il suo Universo perciò aveva il Sole al centro (ancora secondo la credenza religiosa che lo vedeva come lanterna e fuoco di Dio), i pianeti tutt’intorno (compresa la Terra), un confine ultimo, il cielo delle stelle fisse, la forma sferica e cristallina delle orbite dei pianeti e il moto circolare dei corpi celesti (reminiscenza dell’antico modello in cui il moto circolare simboleggiava la perfezione, l’immutabilità e l’eternità).

Questo sistema era già un’alternativa alquanto innovatrice rispetto al vecchio modo di pensare ma ancora molto legato alla tradizione ed alle credenze di quel tempo; purtroppo Copernico non trovò molti sostenitori anzi, al contrario, la Chiesa e, soprattutto, gli aristotelici interposero numerosi ostacoli alla divulgazione delle sue teorie e queste, per di più, vennero accettate solo come ipotesi poiché ciò che non era conforme alle  Sacre Scritture non poteva essere asserito come verità.  

Un ulteriore passo fu compiuto da Tyge Brahe che, pur ipotizzando un sistema cosmologico misto (geocentrico ma con tutti gli altri pianeti del sistema solare gravitanti attorno al Sole) negò l’esistenza di sfere solide che dividessero i cieli dei vari pianeti e sostituì al concetto fisico di orbe quello matematico di orbita.

Keplero, esaltando la bellezza, la perfezione e la divinità del cosmo, tradusse l’Universo in caratteri matematici svelandone i rapporti, le proporzioni e l’armonia geometrica; introdusse le orbite ellittiche, unica spiegazione all’andamento apparentemente irregolare dei moti celesti, e formulò le tre leggi che lo hanno reso famoso.

Queste espongono con buona approssimazione il moto dei pianeti attorno al Sole ed i rapporti reciproci tra questi moti; sono leggi empiriche che descrivono le proprietà osservate senza darne alcun fondamento teorico:

  • Le orbite dei pianeti sono ellittiche ed il sole occupa uno dei due fuochi.

  • L’ellisse è una curva piana, chiusa, in cui si distinguono due fuochi posti sull’asse maggiore in modo che la somma delle loro distanze da qualsiasi punto della curva è costante ed è uguale alla lunghezza dell’asse maggiore.

  • Tutte le ellissi descritte dai vari pianeti hanno un fuoco in comune, occupato dal Sole e, a parte Mercurio e Plutone, la forma di questa ellissi non si discosta molto da una circonferenza.

  • Le orbite non sono tutte sullo stesso piano anche se gli angoli tra i vari piani non sono molto grandi; l’asse che passa tra i fuochi (che per le orbite di tutti i pianeti sono relativamente vicini) è detto linea degli apsidi  e tocca le varie orbite in due punti: quello più lontano dal Sole, l’afelio e quello più vicino, il perielio che rappresentano anche le zone di massima curvatura dell’orbita.

  • Le aree descritte dal segmento congiungente ogni pianeta con il Sole sono proporzionali al tempo impiegato a descriverle.

  • I vettori che congiungono i pianeti con il centro del Sole percorrono in tempi uguali aree uguali.

  • I quadrati dei tempi impiegati a percorrere un’orbita completa (periodo) sono proporzionali ai cubi dei semiassi maggiori dell’ellissi.

Quest’ultima legge viene detta “armonica” perché armonizza tra loro le situazioni dei vari pianeti rispetto al Sole.

Le leggi di Keplero valgono anche per i satelliti rispetto ai pianeti e per qualsiasi sistema di tipo solare ma il modello di questo grande pensatore aveva ancora un punto oscuro: come si poteva spiegare il moto dei pianeti? Una forza meccanica o uno spirito provocavano il loro movimento?

Dopo Keplero arrivò Galileo Galilei, personaggio che riassume, nell’ambito dell’indagine della natura, la fase di passaggio da un’epoca alla successiva e che, per questo, ne dovette pagare le conseguenze.

Costui, il primo vero grande scienziato, arrivò a delineare una fenomenologia non più dipendente da principi generali di perfezione o di moralità centrata su Dio e sull’Uomo ma, al contrario, soggetta a leggi di causa-effetto  nelle quali la causa risiede nell’ambito della stessa fenomenologia.

Galileo promuove l’autonomia della natura, la sua totale autosufficienza.

Questo scienziato è considerato l’inventore del cannocchiale o, perlomeno, del suo utilizzo in campo scientifico: mai prima di lui un uomo aveva osato violare l’incorruttibilità ed i segreti del cielo, di sicuro sappiamo che fu lui a perfezionarlo  ed a modificarlo nel telescopio.

Fino allora i pianeti, la Luna, il Sole erano considerati corpi “perfetti”, pura luce, grazie al telescopio invece si vedevano i monti lunari, le stelle che costituiscono la Via Lattea , la misteriosa struttura di Saturno che cambiava da una notte all’altra (passò quasi mezzo secolo prima che si svelasse il segreto degli anelli), apparvero i satelliti intorno a Giove e divennero addirittura visibili le macchie sulla superficie del Sole. Non era cambiato il cielo, ma l’approccio dello studioso che lo osservava; Galileo, dopo essersi occupato dei più svariati argomenti, arrivò alla conclusione che le idee di Copernico erano fondamentalmente giuste: la Terra non è che un pianeta che gravita attorno al Sole, l’Universo, svelato in tutta la sua immensità dal telescopio, poteva addirittura ospitare altri mondi!

Nelle vecchie università europee gli studiosi fedeli a Tolomeo tremarono letteralmente: l’intera scienza in cui credevano era stata messa in crisi ed aveva subito un pesante attacco.

Ad un Cosmo statico ed eterno, con le stelle fissate alle sfere che ruotavano intorno alla Terra, si sostituiva quest’Universo senza limiti, dove l’uomo poteva anche non essere solo; la comunità scientifica, sconvolta, rifiutò il nuovo “sistema” e ricorse al braccio potente e minaccioso dell’Inquisizione e, nonostante l’amicizia del Papa Urbano VIII, Galileo fu condannato, ormai vecchio, a rinnegare le proprie idee.

Nel 1687, anno della morte di Galileo, un altro grande scienziato, Isaac Newton, come  successore di quel grande genio, arrivò a formulare la legge di gravitazione universale.

 Non contento degli “spiriti” di Keplero che muoverebbero i pianeti, arrivò a dimostrare l’esistenza di una forza di attrazione reciproca che lega tra loro due corpi, direttamente dipendente dalle loro masse ed in modo più complesso dalla loro distanza.

Nel suo libro “Philosophiae naturali principia matematica” fornì, attraverso la legge che aveva teorizzato, la spiegazione dei fenomeni già definiti da Keplero nelle sue tre leggi come il moto dei pianeti, la processione degli equinozi, le irregolarità del moto lunare e delle maree ecc.

·      Due corpi di massa m e m’ a distanza r, si attraggono con una forza f  direttamente proporzionale al prodotto delle masse ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza.

Quindi le leggi di Keplero con opportune correzioni, vanno considerate come conseguenze della legge di gravitazione universale.  

F = k ( m * m’ ) / r2

Stelle e sistemi stellari

Anno scolastico 2000 -2001