Biografie: Sir Isaac Newton

Sir Isaac Newton (Woolsthorpe-by-Colsterworth, 25 dicembre 1642[1] – Londra, 20 marzo 1726[2]) è stato un matematico, fisico, filosofo naturale, astronomo, teologo, storico e alchimista inglese, considerato uno dei più grandi scienziati di tutti i tempi, ricoprendo anche il ruolo di direttore della zecca inglese e quello di Presidente della Royal Society. Noto soprattutto per il suo contributo alla meccanica classica, contribuì in maniera fondamentale a più di una branca del sapere, occupando una posizione di grande rilievo nella storia della scienza e della cultura in generale, con il suo nome che è associato a una grande quantità di leggi e teorie ancora oggi insegnate: si parla così di dinamica newtoniana, di leggi newtoniane del moto, di legge di gravitazione universale; più in generale ci si riferisce al newtonianesimo come a una concezione del mondo che ha influenzato la cultura europea per tutto il Seicento. Attratto dalla filosofia naturale, ben presto cominciò a leggere le opere di Cartesio, in particolare La geometria del 1637, in cui le curve sono rappresentate per mezzo di equazioni; negli anni in cui era studente a Cambridge alla cattedra presiedevano due figure di grande rilievo, Isaac Barrow e Henry More, che esercitarono una forte influenza sul ragazzo; negli anni seguenti, costruì le sue scoperte matematiche e sperimentali facendo riferimento a un gruppo ristretto di testi: pubblicò i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nel 1687, opera nella quale descrisse la legge di gravitazione universale e, attraverso le sue leggi del moto, costruì le regole fondamentali per la meccanica classica, condividendo con Gottfried Wilhelm Leibniz la paternità dello sviluppo del calcolo differenziale o infinitesimale. Contribuì alla rivoluzione scientifica e al progresso della teoria eliocentrica: a lui si deve la sistematizzazione matematica delle leggi di Keplero sul movimento dei pianeti; oltre a dedurle matematicamente dalla soluzione del problema della dinamica applicata alla forza di gravità (problema dei due corpi) ovvero dalle omonime equazioni di Newton, egli generalizzò queste leggi intuendo che le orbite (come quelle delle comete) potevano essere non solo ellittiche, ma anche iperboliche e paraboliche, dimostrando anche che le medesime leggi della natura governano il movimento della Terra e degli altri corpi celesti. Fu il primo a dimostrare che la luce bianca è composta dalla somma (in frequenza) di tutti gli altri colori, avanzando l’ipotesi che la luce fosse composta da particelle, dando così vita alla teoria corpuscolare della luce, in contrapposizione alla teoria ondulatoria della luce patrocinata dall’astronomo olandese Christiaan Huygens e dall’inglese Thomas Young e corroborata alla fine dell’Ottocento dai lavori di Maxwell e Hertz; la tesi di Newton trovò invece conferme, circa due secoli dopo, con l’introduzione del quanto d’azione da parte di Max Planck (1900)[3] e con l’articolo di Albert Einstein (1905)[4] sull’interpretazione dell’effetto fotoelettrico a partire dal quanto di radiazione elettromagnetica, poi denominato fotone; queste due interpretazioni coesisteranno nell’ambito della meccanica quantistica, come previsto dal dualismo onda-particella.

Newton nacque a Woolsthorpe-by-Colsterworth, nel Lincolnshire, in una famiglia di allevatori, il 25 dicembre1642 secondo il Calendario giuliano allora ancora adottato in Inghilterra fino al 1752. Nei Paesi cattolici invece era ormai il 4 gennaio 1643 perché era già avvenuta la correzione degli errori del calendario giuliano (che nel corso dei secoli aveva accumulato dieci giorni di ritardo sull’anno solare) tramite l’introduzione del nuovo Calendario gregoriano oggi adottato in quasi tutto il mondo. Suo padre, anch’egli di nome Isaac e piccolo proprietario terriero, morì tre mesi prima della sua nascita; egli, sul proprio testamento, disegnò un uccello come suo segno distintivo al posto della firma, nonostante sapesse scrivere. Tre anni dopo, sua madre, Hannah Ayscough, si risposò con un agiato chierico di nome Barnabas Smith, di sessant’anni, lasciando il piccolo Isaac alle cure dei nonni materni. In quegli anni egli fu molto infelice: odiava il suo patrigno e pare che una volta sia giunto a minacciare di incendiare la sua casa. Nel 1652, quando Isaac aveva dieci anni, il patrigno morì lasciandogli un’eredità non indifferente con cui poté pagarsi l’istruzione alla King’s School, a Grantham. Alloggiava presso la famiglia Clarke, in stretta amicizia con i Newton. Sembrerebbe aver avuto una relazione sentimentale con Catherine Storer, figliastra del padrone di casa. Probabilmente non fu una cosa importante, ma fu praticamente l’unica relazione sentimentale che Newton ebbe nella sua vita. Durante quel periodo aveva preso strane abitudini: costruiva meridiane, clessidre ad acqua e modelli funzionanti di mulini. Alla fine del 1658, la madre lo costrinse a abbandonare gli studi e lo richiamò a casa per accudire i campi ma si rivelò un pessimo agricoltore. Alla fine il suo maestro convinse sua madre a fargli proseguire gli studi al Trinity College di Cambridge dove si trasferì nel 1661. A quel tempo gli insegnamenti del College erano basati su Aristotele, ma Newton preferiva filosofi più moderni come Cartesio, Galileo, Niccolò Copernico e Keplero. Nel 1665 ottenne il Bachelor of Arts; nel 1666 fu eletto Junior Fellow. Nel 1668 conseguì il titolo di Master of Arts e divenne Senior Fellow.

Maturità

Nel 1665 scoprì il teorema binomiale. Poco dopo il College fu chiuso per via della peste che si stava diffondendo nella zona partendo da Londra. Newton approfittò di questa interruzione per proseguire gli studi per conto suo; durante questo periodo di isolamento quasi assoluto, e a soli 22 anni, scoprì le Identità di Newton, il metodo di Newton, approssimò la serie armonica tramite i logaritmi e cominciò a sviluppare il calcolo infinitesimale. Newton sviluppò il calcolo infinitesimale indipendentemente da Leibniz, che però usò una notazione più precisa. È certo che Newton scoprì il calcolo dieci anni prima di Leibniz, ma pubblicò la sua scoperta molto dopo. Newton sostenne di non aver pubblicato il suo lavoro per timore di essere deriso. Dal 1699 alcuni membri della Royal Society accusarono Leibniz di plagio e cominciò una violenta contesa su chi avesse inventato il calcolo. Questa disputa amareggiò le vite di entrambi i contendenti fino alla morte di Leibniz nel 1716. Anche dopo la sua morte Newton continuò a denigrare la memoria dell’avversario fino al punto che, secondo alcuni, sarebbe arrivato a compiacersi di avergli “spezzato il cuore”. Divenne professore lucasiano di matematica nel 1669. A quei tempi tutti i fellow di Cambridge avevano l’obbligo di prendere gli ordini sacri entro sette anni dopo la nomina a fellow. Newton fece un primo tentativo di evitare l’ordinazione cercando invano di procurarsi un posto vacante di fellow in giurisprudenza, poiché in questo caso si era esentati da quell’obbligo. Successivamente, verso la fine del 1674, Newton si adoperò (insieme al suo amico Francis Aston) per ottenere la dispensa dall’obbligo di prendere gli ordini. Sebbene l’amico Aston non riuscisse nell’intento e non sia chiaro dove le strade delle due richieste ebbero a divergere, Newton riuscì ad ottenere la dispensa dall’ordinazione a chierico anglicano, mantenendo la sua fellowship. La dispensa venne firmata dal re Carlo II in data 2 marzo 1675. Dal 1670 al 1672 si occupò di ottica. Durante questo periodo studiò la rifrazione della luce dimostrando che un prisma può scomporre la luce bianca in uno spettro di colori, e quindi una lente e un secondo prisma possono ricomporre lo spettro in luce bianca. Da questo lavoro concluse che ogni telescopio rifrattore avrebbe sofferto della dispersione della luce in colori, e inventò il telescopio riflettore per aggirare il problema[11]. (Solo più avanti, quando divennero disponibili vetri con diverse proprietà rifrattive, divenne possibile costruire lenti acromatiche). Negli anni ’70 rifiutò la filosofia meccanicista cartesiana, ritenendola fonte di conseguenze teologicamente errate. Inoltre si convinse che la vera filosofia naturale non sia da cercare nelle opere dei suoi contemporanei, ma piuttosto nelle opere dell’antica tradizione alchemica e nei libri sacri. Nel 1671 la Royal Society lo chiamò per una dimostrazione del suo telescopio riflettore. Il loro interesse lo incoraggiò a pubblicare le note On Colours (Sui colori), che più tardi arricchì nel suo lavoro Opticks (Ottica). Quando Robert Hooke criticò alcune delle sue idee, Newton ne fu così offeso che si ritirò dal dibattito pubblico e i due rimasero nemici fino alla morte di Hooke. Una volta scrisse, in una lettera a Hooke datata 5 febbraio 1676, «Se ho visto più lontano, è perché stavo sulle spalle di giganti» benché questa frase, coniata nel Medioevo da Bernardo di Chartres, appaia come segno di modestia, alcuni ritengono che fu pungente: Hooke infatti era un uomo di bassa statura. L’impegno di Newton per la scienza è chiaramente dimostrato da un particolare esperimento sull’ottica. Avendo l’idea che il colore fosse provocato dalla pressione sull’occhio, egli premette un ago da calza intorno al suo occhio fino a quando poté dare dei colpetti al retro dello stesso, notando spassionatamente “cerchi bianchi, scuri e colorati fintanto che continuava ad agitarlo”.

Newton pensava che la luce fosse composta di particelle. Fisici successivi preferirono una spiegazione basata sulle onde in base ai risultati di alcuni esperimenti.

Nel suo Hypothesis of Light (Ipotesi sulla luce) del 1675, Newton postulò l’esistenza dell’etere per trasmettere le forze tra le particelle. Successivamente Henry More, un collega di Cambridge, ravvivò il suo interesse per l’alchimia, tanto che rimpiazzò la teoria dell’etere con forze occulte basate sulle idee ermetiche, sull’attrazione e repulsione tra particelle.

La mela e la gravità

Nel 1679, Newton ritornò alle sue idee sulla gravità, sulla meccanica classica, e sugli effetti di queste sulla determinazione delle orbite dei pianeti e sulle leggi di Keplero. Consultò su questo Robert Hooke e John Flamsteed, astronomo reale. Newton avrebbe probabilmente tenuto per sé le proprie scoperte, se Edmund Halley non gli avesse chiesto di trovare risposta a un problema di meccanica celeste. Newton gli mostrò il suo manoscritto intitolato De Motu Corporum (1684) che conteneva le tre leggi del moto. Halley convinse Newton a pubblicare quelle carte ed egli, inserendo il manoscritto in un’opera più ampia, diede alle stampe i  Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principi matematici della filosofia naturale) comunemente chiamati Principia. L’opera, pubblicata a spese di Halley in tre volumi nel 1687, è unanimemente considerata un capolavoro assoluto della storia della scienza; con essa Newton stabilì le tre leggi universali del movimento che non sono state migliorate per i successivi trecento anni. Egli usò il termine latino gravitas (peso) per la determinazione analitica della forza che sarebbe stata conosciuta come gravità, e definì la legge della gravitazione universale. Nello stesso lavoro presentò la prima determinazione analitica, basata sulla legge di Boyle, sulla velocità del suono nell’aria. Si racconta che Newton nel 1666, l’annus mirabilis, fosse seduto sotto un melo nella sua tenuta a Woolsthorpe quando una mela gli cadde sulla testa. Ciò, secondo la leggenda diffusa da Voltaire nella quindicesima delle sue Lettres philosophiques (1734), lo fece pensare alla gravitazione e al perché la Luna non cadesse sulla terra come la mela. Cominciò a pensare dunque a una forza che diminuisce con l’inverso del quadrato della distanza, come l’intensità della luce. Newton però non tenne conto delle perturbazioni planetarie e di conseguenza i suoi calcoli sul moto della Luna non erano corretti. Deluso smise quindi di pensare alla gravitazione. Questa in realtà è un’esagerazione di un episodio narrato da Newton stesso secondo il quale egli sedeva a una finestra della sua casa (Woolsthorpe Manor) e vide una mela cadere dall’albero. A ogni modo, si ritiene che anche questa storia sia stata inventata dallo stesso Newton più avanti negli anni, per dimostrare quanto fosse abile a trarre ispirazione dagli eventi di tutti i giorni. Uno scrittore suo contemporaneo, William Stukeley, registrò nelle sue Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life una conversazione con Newton a Kensington il 5 aprile 1726, nella quale Newton ricordava «quando per la prima volta, la nozione di forza di gravità si formò nella sua mente. Fu causato dalla caduta di una mela, mentre sedeva in contemplazione. Perché la mela cade sempre perpendicolarmente al terreno, pensò tra sé e sé. Perché non potrebbe cadere a lato o verso l’alto ma sempre verso il centro della Terra.»

Il successo e la crisi nervosa

Con i Principia, Newton venne riconosciuto internazionalmente e conquistò un circolo di ammiratori, fra cui fu importante il matematico di origini svizzere Nicolas Fatio de Duillier, con il quale stabilì un’intensa relazione che durò fino al 1693. La fine di quest’amicizia portò Newton a un esaurimento nervoso. Durante questo esaurimento Newton si avvicinò molto alla pazzia e scrisse lettere deliranti e accusatorie ad alcuni suoi amici, tra i quali anche Locke. Alcuni ritengono che una causa di questo momentaneo esaurimento nervoso fossero i vapori di mercurio respirati negli esperimenti alchemici. Altri ritengono che ci siano correlazioni, comunque non dimostrate, tra i suoi forti esaurimenti nervosi e alcune sue importanti scoperte. Nel 1696 per risollevarlo da questa crisi Charles Montagu gli offrì un posto alla zecca reale. Newton si trasferì a Londra per prendere il posto di guardiano della Zecca Reale nel 1696. Si fece carico del grande programma di nuova coniazione delle monete inglesi, seguendo il cammino di Lord Lucas (e favorendo la nomina di Edmond Halley a sovraintendente della zecca di Chester). Newton divenne direttore della Zecca alla morte di Lucas nel 1699. Questi incarichi erano intesi come sinecure, ma Newton li prese seriamente, esercitando il suo potere per riformare la moneta e punire i falsari. Egli si ritirò dai suoi incarichi a Cambridge nel 1701. La riforma monetaria di Newton anticipò il gold standard che l’Inghilterra adotterà per prima nel 1717, seguita da altre nazioni nei secoli successivi, fino all’adozione statunitense ai primi del Novecento. Newton stabilì un cambio fisso fra la sterlina e l’oncia d’oro; inoltre, elaborò dei metodi per aumentare la produttività della zecca, con misure per un maggior controllo della quantità d’oro e argento nelle monete coniate. Riuscì in questo modo a chiudere le filiali provinciali della Banca d’Inghilterra e a tornare a una produzione centralizzata della moneta. Nel 1697 gli arrivò una copia del problema della brachistocrona che Bernoulli aveva ideato come una sfida a tutti matematici d’Europa e in particolare a Newton. Egli risolse il problema in una notte e inviò la risposta al matematico svizzero non firmata. Bernoulli la riconobbe però immediatamente. Newton fu anche un membro del Parlamento dal 1689 al 1690 e nel 1701, ma il suo solo intervento registrato fu per lamentarsi di una corrente d’aria fredda e la richiesta che venisse chiusa la finestra. Nel 1701 Newton pubblicò anonimamente una legge della termodinamica ora conosciuta come legge di Newton del raffreddamento nel Philosophical Transactions of the Royal Society. Nel 1703 Newton divenne presidente della Royal Society e un associato della Académie des Sciences. Nella sua posizione alla Royal Society, Newton si fece nemico di John Flamsteed, l’Astronomo reale, tentando di rubare il suo catalogo di osservazioni. Nel 1705 fu investito del titolo di cavaliere dalla Regina Anna. Newton non si sposò mai, né ebbe figli riconosciuti. Morì a Kensington, Londra, all’età di 84 anni il 20 marzo[2] 1726 secondo il calendario giuliano, ossia il 31 marzo 1727, e fu sepolto otto giorni dopo nell’Abbazia di Westminster. Voltaire, che era presente al funerale, disse che era stato sepolto come un re. Per lui Alexander Pope scrisse un famoso poemetto che comincia così:

«Nature and nature’s laws lay hid in night;

God said: «Let Newton be!», and all was light»

«La natura e le leggi della natura giacevano nascoste nella notte;

Dio disse: «Che Newton sia!», e luce fu»

Invece sulla tomba fu inciso l’epitaffio:

«Sibi gratulentur mortales tale tantumque exstitisse humani generis decus»

«Si rallegrino i mortali perché è esistito un tale e così grande onore del genere umano» 

Dopo la morte il corpo è stato riesumato ed è stata trovata un’alta quantità di mercurio nei suoi capelli, probabilmente per via dei numerosi esperimenti di alchimia.[14]. Non ebbe alcun erede riconosciuto né si sposò mai.

Personalità e interessi

Newton era a detta di molti un uomo scorbutico e sgradevole, tanto che si era sparsa la notizia – diffusa ancor oggi, sebbene il suo amico William Stukeley smentì tale asserzione[15] – che egli avesse riso solo una volta in vita sua: quando uno studente gli chiese se valesse la pena di studiare gli Elementi di Euclide. Era paranoico e temeva la povertà e le critiche degli altri. Fu inoltre litigioso e si imbarcò in dispute accanite con molti suoi contemporanei come Hooke, Leibniz (per cui provava una profonda avversione) o Flamsteed. A causa del suo comportamento solitario e asociale, si è detto che potesse soffrire di una forma di autismo. Temeva che le sue idee poco ortodosse sulla religione potessero causargli problemi e tenne segreti i suoi scritti filosofici. Non solo, ma non pubblicò nemmeno, o pubblicò molto tardi, gran parte dei suoi scritti scientifici: probabilmente fece ciò per paura delle critiche, ma alcuni ritengono che fosse guidato da convinzioni molto vicine al pitagorismo e al neoplatonismo, oltre che al neostoicismo, e che considerasse il sapere come bene da condividere solo tra pochi eletti.

Scritti alchemici

Newton dedicò molto tempo anche all’alchimia: in un’epoca in cui i principi della chimica non erano chiari, egli cercava di indagare sulla natura delle sostanze rifacendosi a tradizioni ermetiche ed effettuando esperimenti mirati a studiare ipotesi successivamente rivelatesi prive di fondamento scientifico. John Maynard Keynes, che acquisì molti degli scritti di Newton sull’alchimia, scrisse che «Newton non fu il primo dell’età della ragione: fu l’ultimo dei maghi». L’interesse di Newton nell’alchimia non può essere isolato dai suoi contributi alla scienza. Se non avesse creduto nell’idea occulta dell’azione a distanza, attraverso il vuoto, probabilmente non avrebbe sviluppato la sua teoria sulla gravità. Lo scienziato trascorreva il settembre di ogni anno immerso nelle pratiche alchemiche, il cui metallo prediletto era il mercurio. I suoi esaurimenti nervosi ed eccentricità furono attribuiti in seguito ai sintomi psichici e neurologici dell’avvelenamento da mercurio, o, in alternativa, a un disturbo bipolare. Newton cominciò a interessarsi di alchimia a seguito dello studio di Robert Boyle. Un altro dei punti di riferimento per la riflessione alchemica di Newton fu l’alchimista americano George Starkey, la cui opera principale, l’Introitus, fu studiata da Newton nella sua traduzione inglese del 1669, intitolata Secrets Reveal’d. Anche il circolo dei chemical philosophers, guidato da Samuel Hartlib e dallo stesso Starkey furono un catalizzatore della curiosità di Newton verso l’alchimia. L’apice della riflessione alchemica di Newton viene raggiunto con il saggio intitolato Praxis, scritto nel 1693. Il trattato è suddiviso in una prima parte teorica di esplorazione della simbologia alchemica, seguito da una sezione dedicata all’attività pratica dell’alchimia. Quest’ultima parte dà il nome all’intero saggio. Praxis non venne mai pubblicato in vita, e dopo la sua composizione il coinvolgimento di Newton nell’alchimia andò scemando. Da un manoscritto lasciato inedito sappiamo che Newton non considerava l’alchimia come qualcosa di diverso dalle scienze esatte. La sua volontà era di dedicarsi allo studio di processi come la crescita e la vegetazione per capire appunto lo spirito vegetativo che sta alla base della crescita, concetto questo molto legato agli studi alchemici.

Scritti di esegesi biblica e anti-trinitarismo

Newton si interessò molto anche di religione. Un’analisi di tutti gli scritti di Newton rivela che di circa 3.600.000 parole solo 1.000.000 furono dedicate alle scienze, mentre circa 1.400.000 furono dedicate a soggetti religiosi. Negli anni sessanta del XVII secolo, Newton scrisse numerosi opuscoli religiosi sulla interpretazione letterale della Bibbia. Credeva che in vari punti il testo del libro fosse stato forzato e falsificato e si adoperò in ogni misura per riuscire a trovare il significato originale del libro. La fede di Henry More nell’infinitezza dell’universo potrebbe avere influenzato le idee religiose di Newton. Studiando la Bibbia infatti Newton arrivò alla conclusione che il dogma trinitario fosse un’invenzione posteriore. Un manoscritto che egli inviò a John Locke nel quale metteva in discussione l’esistenza della Trinità non fu mai pubblicato. In An Historical Account of Two Notable Corruptions of Scripture, pubblicata la prima volta nel 1754, ventisette anni dopo la sua morte, prese in esame tutte le prove testuali ottenibili da fonti antiche su due passi della Bibbia: I Giovanni 5:7 e I Timoteo 3:16 per dimostrare l’inesistenza scritturale della dottrina trinitaria[24]. Fu considerato un precursore del deismo settecentesco per la sua fede in un Dio creatore immobile e trascendente dell’universo. Tale idea informò il metodo newtoniano, in particolare per il postulato di semplicità e uniformità dell’universo. Newton credeva che le Scritture fossero opera divina ma considerava Dio come un demiurgo, un “orologiaio” dell’Universo, essere impalpabile che lo aveva messo in moto. Vedeva come prova dell’esistenza di questo Essere la complessità dei moti planetari. Scrisse in una lettera a Richard Bentley: «the motions which the Planets now have could not spring from any naturall cause alone but were imprest by an intelligent Agent»,«i movimenti dei pianeti non avrebbero potuto originare solo da una causa naturale, ma furono impressi da un Essere intelligente» (Newton, lettera a Richard Bentley del 10 dicembre 1692). Newton si dimostra estremamente scettico nei confronti sia della Chiesa cattolica, sia di quella anglicana, basando le sue convinzioni religiose sull’unicità di Dio e sull’antitrinitarismo. Nel maggio 1687 si oppose ai provvedimenti filo-cattolici che Giacomo II volle imporre all’Università di Cambridge.

Scritti sulla cronologia biblica e l’escatologia

Nel Trattato sull’Apocalisse si riserva di applicare il metodo scientifico dei Principia con un metodo ermeneutico simile per lo scritto attribuito a San Giovanni, deducendo assiomi e regole uniformi per decidere l’interpretazione migliore e più fedele alla lettera del testo, con lo stesso metodo e perciò con lo stesso grado di evidenza e certezza che i Principia permettono di ottenere nella scelta dell’interpretazione migliore di un dato sperimentale. Nel testo sostiene che l’oscurità e impenetrabilità dei testi è nei piani di Dio, il quale all’avvicinarsi del tempo apocalittico suggerirà a qualche credente quella verità storica che è rimasta ignota per secoli anche alle persone più dotte che hanno tentato di interpretarla:

«E se Dio fu così adirato con gli Ebrei perché non avevano esaminato più diligentemente le profezie che egli aveva dato loro per riconoscere Cristo, perché dovremmo pensare che ci scuserà se non esamineremo le profezie che ci ha dato per riconoscere l’Anticristo? Poiché certamente aderire all’Anticristo deve essere per i cristiani un errore tanto pericoloso e tanto facile quanto lo fu per gli Ebrei rifiutare Cristo. E perciò è tanto nostro dovere sforzarci di essere in grado di riconoscerlo, noi che possiamo evitarlo, quanto lo fu il loro di riconoscere Cristo che potevano seguire» (I. Newton, Trattato sull’Apocalisse, a cura di M. Mamiani, Bollati e Boringhieri, Torino, 1994, p. 7)

In un manoscritto redatto nel 1704 nel quale descrive i suoi tentativi di estrarre informazioni scientifiche dalla Bibbia, stimò che la fine del mondo sarebbe avvenuta nell’anno 2060.[27][28]. Basandosi sulla profezia di Daniele, Newton calcola che la Seconda venuta di Cristo avverrà non prima del 2060, vale dire 1.260 anni (in Daniele 7:25, 1260 giorni equivale a 1260 anni, interpretazione condivisa da varie confessioni; e anche Apocalisse 11.3 il ministero dei due profeti dura 1260 giorni) dopo l’incoronazione di Carlo Magno nell’800, in realtà tali calcoli sono frutto di considerazioni private e interpretazioni arbitrarie dei riferimenti cronologici dei testi biblici, in quanto per lo scienziato la data a cui fa riferimento è una data minima, tenendo anche conto della data di partenza presa per effettuare il calcolo. I suoi lavori più tardi – The Chronology of Ancient Kingdoms Amended (1728) e Observations Upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John (1733) – furono pubblicati dopo la sua morte. Egli riteneva che le sue ricerche più impegnative fossero quelle dedicate agli studi della cronologia antica: il suo metodo, del tutto originale, si basava sull’applicazione del fenomeno della precessione degli equinozi per la datazione degli eventi storici.

Altri interessi

Forse per i suoi interessi alchemici è stato più volte accostato a presunte organizzazioni segrete come la setta dei Rosacroce e il fantomatico Priorato di Sion (di cui si dice che sia stato anche grande maestro). Era vegetariano e a questa sua scelta etica si ispirò la critica alle crudeltà sugli animali contenuta negli Elementi della filosofia di Newton (1738) di Voltaire.[31] Newton era forse omosessuale[32] o asessuale[33], ed ebbe probabilmente una sola relazione sentimentale con una donna, Catherine Storer, quando era ancora un ragazzo; non si sposò mai ed è opinione comune – anche se di impossibile verifica[17] – che egli morì vergine, come affermarono alcune importanti figure quali il matematico Charles Hutton[35], l’economista John Maynard Keynes e il fisico Carl Sagan. Voltaire, che presenziò al funerale di Newton, affermò che tale notizia gli era stata confermata “dal medico e dal chirurgo che erano con lui quando morì”[38]; inoltre nel 1733 il filosofo francese ribadì che Newton “non aveva né passioni né debolezze” e che “non si era mai avvicinato a nessuna donna”. Nel periodo della sua giovinezza Newton si dedicò alla matematica pura, anche se essa gli serviva prevalentemente per risolvere problemi fisici. In questo campo si dedicò soprattutto all’analisi scoprendo alcune formule per il calcolo di pi greco e l’espansione in serie del logaritmo naturale, ossia le serie di Mercator, e trovò un metodo per approssimare le serie armonica tramite i logaritmi. Scoprì poi le identità di Newton e il metodo di Newton. Una delle sue scoperte più importanti, pubblicata per la prima volta da Wallis nella sua Algebra del 1685, fu il teorema binomiale: una formula che consente di elevare a una qualsiasi potenza un binomio. Tuttavia Newton in matematica è noto soprattutto per l’invenzione, indipendentemente da Leibniz, del calcolo infinitesimale. Anche se questa scoperta era fondata su basi poco chiare e rigorose avrebbe avuto un’importanza fondamentale per lo sviluppo, non solo della matematica ma anche della fisica. Questa invenzione era stata preannunciata già da matematici come Wallis, Barrow, Fermat, Torricelli e Cavalieri, ma solo con Newton e Leibniz essa assunse la forma che rimase canonica negli sviluppi successivi. Newton e Leibniz ripresero e svilupparono un metodo scoperto circa cinquanta anni prima da Fermat per trovare i massimi e i minimi di una funzione attraverso la sua derivata. A differenza di molti suoi contemporanei Newton applicò questo procedimento anche alle funzioni trascendenti, anche se il concetto di limite non era affatto definito all’epoca. Egli usava infatti nei suoi scritti privati termini ambigui come «flussione» o «infinitesimo». Newton si rese conto che «il problema delle tangenti» e quello «delle quadrature» erano uno l’inverso dell’altro ossia che la derivazione era l’inverso dell’integrazione. Per la verità passi importanti verso la dimostrazione di questo teorema, che non a caso è noto come teorema di Torricelli Barrow, erano già stati compiuti, ma il contributo di Newton fu di grande importanza. Grazie alle sue scoperte Newton ottenne alcune serie che esprimevano varie funzioni come una somma infinita di termini; per esempio la serie di Mercator, come già accennato. Uno dei maggiori contributi di Newton nel campo della matematica consiste nell’introduzione del “metodo delle flussioni”, ossia del calcolo differenziale e integrale, espresso mediante simboli algebrici. La pubblicazione di questi studi, nel 1704, provocò un’aspra controversia con Leibniz circa la priorità dell’invenzione del calcolo differenziale, controversia che non si placò neppure con la morte di Newton. Grazie a questa teoria, descritta compiutamente nei Philosophiae naturalis principia mathematica, il mondo veniva presentato come una sorta di enorme macchina, il cui comportamento poteva essere spiegato e in buona parte previsto in base a pochi principi teorici. La nozione di gravitazione universale, ossia di azione istantanea a distanza, incontrò comunque una fortissima opposizione da parte di Leibniz e dei cartesiani, che vedevano in essa un elemento di forte sapore metafisico, essendo detti filosofi convinti che l’unico modo di un corpo per influire su un altro fosse quello del contatto diretto.

I Principî della meccanica

L’opera più influente di Newton fu senza dubbio Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, per i successivi trecento anni valido e attendibile testo scientifico per la meccanica classica. La loro pubblicazione avvenuta nel 1687 è considerata da molti la nascita della fisica classica. Per la prima volta la meccanica è trattata in modo sistematico e geometrico-matematico, anche se per la sua formulazione con l’analisi matematica si dovettero attendere le opere di meccanica di Eulero e quelle dell’epoca illuminista. Si tratta di un’opera divisa in tre libri: i primi due riguardano la matematica, applicata ai moti dei corpi del vuoto e nei mezzi resistenti come l’aria o l’acqua. Nel terzo libro presentò la sua cosmologia basata sull’idea che i pianeti si muovono nello spazio vuoto, attratti verso il Sole da una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Le modalità di azione di queste forze sono ancora misteriose. Nei Principi Newton tratta lo spazio e il tempo come enti assoluti ma, come già aveva fatto Galilei, riconosce in una certa misura la relatività del moto. Egli dice infatti che il moto assoluto si deve misurare rispettivamente a dei punti immobili ma che, come scrive nei Principia: «Non esistono luoghi immobili salvo quelli che dall’infinito e per l’infinito conservano, gli uni rispetto agli altri, determinate posizioni; e così rimangono sempre immobili e costituiscono lo spazio che chiamiamo immobile» Questa ostica definizione è accentuata sia dal linguaggio dello scienziato, sia dalla grande difficoltà del problema. In una lettera a Richard Bentley del luglio 1691 Newton fornisce alcune indicazioni sui testi da leggere per comprendere i Principi e conclude: «Alla prima lettura del mio libro è sufficiente che tu capisca le proposizioni con alcune delle dimostrazioni più facili del resto. Così capirai più facilmente quello che verrà in seguito e questo ti illuminerà nelle parti più difficili. Dopo aver letto le prime 60 pagine [le prime tre sezioni], passa al terzo libro e quando hai colto il senso puoi tornare indietro alle proposizioni che avresti il desiderio di conoscere o esaminare, o sfoglia tutto il libro se lo ritieni opportuno.»

Un’edizione originale dei Principia del 1687

Nel primo e nel secondo volume Newton dà alcune importanti definizioni (la massa viene definita come “quantità di materia” e così via) e continua esponendo le tre fondamentali leggi del moto valide, seppur con qualche piccola modifica, anche oggi: 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 (principio di inerzia) 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 (ossia, {\displaystyle F=ma}F=ma) Terzo principio (di azione e reazione) A ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Da notare che il termine “azione e reazione” potrebbe trarre in inganno poiché, si potrebbe pensare che data un’azione (forza applicata) verrà in seguito generata una reazione ad essa (una forza opposta). Tutte le forze applicate invece, iniziano ad esistere esattamente nello stesso istante e non in sequenza. Nessuno prima di Newton aveva esposto questi principi in modo così chiaro e conciso. A queste leggi seguono alcuni corollari come per esempio la regola del parallelogramma per le forze, secondo cui due forze oblique si sommano con una risultante che è pari alla diagonale del parallelogramma che ha per lati le due forze.[46] Dopo ciò Newton comincia a descrivere il moto dei corpi, ad analizzare casi particolari e a enunciare teoremi sul movimento. Il tutto è trattato geometricamente senza far ricorso al calcolo infinitesimale la cui scoperta voleva ancora tenere segreta, né tanto meno al “metodo degli indivisibili” anche se riconosce esplicitamente che in questo modo potrebbero essere trattate in modo più semplice.

Il primo libro dei Principia è chiamato Sul moto dei corpi ed è dedicato allo studio della dinamica dei corpi liberi, immersi nel vuoto ed è formato da 14 sezioni. Sono trattati i problemi del moto di un punto materiale soggetto a una forza centripeta, che descrive nei diversi casi orbite circolari, ellittiche, paraboliche o iperboliche. Si tratta soprattutto di problemi astronomici legati alla determinazione del moto di pianeti attorno al Sole, dei satelliti attorno ai pianeti o del moto delle comete.

Nel secondo libro dei Principia viene trattato il moto di un corpo in un fluido resistente. Questo libro espone le leggi dell’idrostatica e dell’idrodinamica classica. Anche se in questa sezione Newton compie qualche errore, i risultati raggiunti sono notevoli. Per esempio Newton, grazie alla legge di Boyle, ottiene un valore, seppur impreciso, per la velocità del suono. Sono esposti nel 2º libro anche difficili teoremi dinamici sul moto di un pianeta immerso in un fluido. Il motivo di questi teoremi è dovuto al fatto che al tempo di Newton la fisica Cartesiana non prevedeva l’esistenza del vuoto e quindi si considerava che i pianeti e i satelliti si potessero muovere solo in un fluido esteso negli spazi celesti. Newton dovette quindi trattare questi teoremi nel 2º libro. Nel capitolo conclusivo poi Newton dimostra che la fisica cartesiana è incompatibile con questi teoremi e con i risultati sperimentali desunti dalle osservazioni astronomiche. Egli dimostra quindi che la sua forza di gravitazione universale è una forza che agisce a distanza e che si trasmette nel vuoto e che i pianeti non sono spinti dai vortici corporei, come invece riteneva Cartesio.

Nel terzo libro dei Principia, chiamato Sul sistema del mondo Newton espone la legge di gravitazione universale che agisce, secondo Newton, in ogni luogo e per ogni corpo. La forza di attrazione gravitazionale su un corpo di massa m, generata dal campo gravitazionale di un corpo di massa M. La formula sarà poi espressa nei trattati successivi, in particolare quelli compilati dal matematico svizzero-tedesco Leonhard Euler, dalla matematica francese Émilie du Châtelet e dai successivi trattati di Meccanica razionale e Astronomia. Sulle cause di questa attrazione Newton (almeno nei suori scritti) non si pronunciò. Egli adottò la celebre frase Hypotheses non fingo, con cui evidenziava l’intenzione di limitarsi a dare una spiegazione del fenomeno e la scelta di non formulare ipotesi sulle cause scatenanti. La forma della legge di gravitazione universale non era nuova (era stata enunciata, per esempio, da Ismaël Boulliau nel 1645 e poi ripresa, tra gli altri, da Halley e Robert Hooke), ma Newton per primo dimostrò come, attraverso la legge di gravitazione universale, si possano calcolare le orbite dei pianeti (o di qualsiasi altro corpo), scoprendo così che esse possono essere anche paraboliche e iperboliche e che dall’ipotesi della gravitazione possono essere derivate le leggi di Keplero. Successivamente spiegò esaurientemente il moto delle comete. In questo volume Newton compie l’unificazione tra la fisica galileiana e l’astronomia di Keplero. Infatti lo scienziato inglese riconduce a un’unica causa la legge di gravitazione universale, le leggi di Keplero e quelle della caduta dei gravi. Questo risultato ha un’importanza cruciale in quanto Newton unifica i moti del cielo e della terra aprendo così la via a una moltitudine di applicazioni che sarebbero poi state sviluppate appieno da molti altri scienziati.

Ottica

Newton studiò la dispersione ottica di un raggio di luce bianca che attraversa un prisma di vetro e si scompone nei vari colori. Si accorse per primo che cambiando la direzione dei raggi colorati con una lente, in modo che convergessero in un secondo prisma, si riotteneva la luce bianca. Invece isolando un raggio colorato e facendolo passare per un prisma esso rimaneva invariato. Newton concluse che la luce bianca era formata dalla combinazione di vari colori. Gli studi sulla natura della luce portarono Newton a capovolgere la teoria di Hooke, secondo il quale i colori derivavano dalla rifrazione sui diversi materiali. Newton affermò invece che il colore non è una qualità dei corpi bensì della luce stessa. Dopo alcuni dubbi iniziali, egli divenne un convinto sostenitore della teoria corpuscolare della luce. In base a tale concezione, la luce è costituita da microscopiche particelle che vengono lanciate dalla sorgente in tutte le direzioni e con velocità elevatissima. Le ricerche di Newton sulla luce sono raccolte in tre libri chiamati Opticks. In essi vengono descritte le leggi dell’ottica geometrica e i fenomeni della riflessione e della rifrazione. Vi si afferma anche che a ciascun colore corrisponde un diverso indice di rifrazione e che la luce bianca del Sole può essere scomposta, mediante prismi, nei sette colori dello spettro che la compongono. Newton analizzò anche quelli che oggi sono detti anelli di Newton (descritti anche da Robert Hooke nella sua Micrographia del 1664) e concluse che gli aloni colorati che si vedevano nei telescopi di allora fossero dovuti alla rifrazione della luce bianca (fenomeno chiamato aberrazione cromatica).

Il telescopio riflettore costruito da Newton

Per ovviare a questo problema Newton costruì un telescopio riflettore che usa un grande specchio concavo per far convergere i raggi luminosi in un altro specchietto più piccolo inclinato di 45° così che esso li diriga nell’oculare. Per via dello specchio concavo l’immagine dell’oggetto è notevolmente ingrandita senza la benché minima aberrazione cromatica. Newton stesso costruì degli esemplari di questo telescopio che risultarono più piccoli e potenti degli altri telescopi di allora. Più complesse furono le teorie che azzardò per spiegare i fenomeni luminosi secondo le quali nello spazio era diffusa una sostanza “finissima” chiamata etere. Secondo Newton la luce avrebbe riscaldato l’etere facendolo vibrare mentre esso avrebbe rifratto la luce. Newton aggiungeva che la luce avrebbe subito accelerazioni e decelerazioni per via delle variazioni di densità di questo mezzo. Tra l’altro alle variazioni di densità di questo presunto etere Newton, (pur non assumendo nessuna posizione pubblica) attribuiva la gravità, pur non essendo molto sicuro di questa supposizione. In questa teoria la luce appariva come formata da corpuscoli. Dopo che vari esperimenti ne accertarono la natura ondulatoria, le sue ipotesi furono abbandonate e si preferirono quelle di Hooke e Huygens. Oggi tuttavia la meccanica quantistica parla di dualismo onda-particella, anche se il modello di fotone accettato dalla scienza moderna si discosta notevolmente dal modello corpuscolare di Newton.

Il metodo scientifico

Il metodo newtoniano, fondamentale nell’evoluzione delle sue scoperte scientifiche, consisteva, secondo il pensatore, in due parti fondamentali, ovvero un procedimento analitico, che procede dagli effetti alle cause, a cui succede un procedimento sintetico, che consiste nell’assumere le cause generali individuate come ragione dei fenomeni che ne derivano. A questi due procedimenti Newton applica quattro regole fondamentali, da lui così definite:

non dobbiamo ammettere spiegazioni superflue;

a uguali fenomeni corrispondono uguali cause;

le qualità uguali di corpi diversi debbono essere ritenute universali di tutti i corpi;

proposizioni inferite per induzione in seguito a esperimenti, debbono essere considerate vere fino a prova contraria.

Questa ultima regola può essere ricollegata alla celebre affermazione di Newton, «Hypotheses non fingo», in base alla quale il filosofo si ripromette di rifiutare qualsiasi spiegazione della natura che prescinda da una solida verifica sperimentale; non fingo ipotesi significa perciò l’impegno a non assumere alcuna ipotesi che non sia stata indotta da una rigida concatenazione di esperimenti e ragionamenti basati sulla relazione di causa e effetto. Ne restano perciò escluse tutte quelle “finte” ipotesi scientifiche sui fenomeni, proclamate, fino a quel momento, dalla metafisica.

Influenza sui posteri

Le idee di Newton ebbero una rapida diffusione in Inghilterra anche grazie a persone come Edmund Halley. Così non fu per il continente europeo nel quale ebbero una storia più travagliata. Soprattutto in Francia rimase a lungo molto diffusa la teoria cartesiana dei vortici che, rispetto a quella di Newton, aveva il vantaggio di essere comprensibile intuitivamente e senza matematica. Inoltre la gravità era giudicata dai cartesiani come una forza occulta e la sua accettazione non fu facile. Importante in questo campo fu la “propaganda” del filosofo illuminista Voltaire che, nel suo Elementi della filosofia di Newton e nelle sue Lettere filosofiche, si dimostrò un difensore di Newton; il successo di questi scritti contribuì non poco all’accettazione di queste teorie in Francia. L’esperimento decisivo venne compiuto nel 1736. Dato che le teorie newtoniane prevedevano che la terra fosse schiacciata ai poli mentre quelle cartesiane prevedevano che fosse allungata, nel 1735 partirono due spedizioni per verificare la forma effettiva della terra, una era diretta in Perù e l’altra per la Scandinavia. Il risultato dell’esperimento fu inequivocabile: la terra è schiacciata ai poli come Newton aveva previsto. Poco dopo altri successi confermarono nuovamente la teoria newtoniana e fecero cadere definitivamente quella cartesiana. Per esempio l’apparizione della cometa di Halley nel 1759 come previsto da Halley in base alle teorie newtoniane. Poco dopo Francesco Algarotti pubblicò Il newtonianesimo per le dame, la prima opera divulgativa delle teorie di Newton. La meccanica celeste divenne in seguito, grazie ai lavori di Eulero, D’Alambert, Joseph-Louis Lagrange e Laplace, straordinariamente precisa e quando nel 1846, grazie ai calcoli teorici di John Couch Adams e Urbain Le Verrier, l’astronomo Johann Galle riuscì a scoprire il pianeta Nettuno, raggiunse il suo apice. Nell’immaginario popolare Newton divenne l’eroe intellettuale per eccellenza, colui che aveva ricondotto la Natura a puri principi razionali abbandonando cause occulte. Concezione questa sbagliata in quanto Newton fu anche un alchimista, ma che ebbe vasta importanza. Il filosofo tedesco Immanuel Kant fu influenzato dalla visione newtoniana del mondo. L’ammirazione per Newton è ben testimoniata dai vari omaggi che molti artisti gli fecero: il poemetto di Alexander Pope e il suo epitaffio, il quadro di William Blake che lo rappresenta come divino geometra e il progetto utopistico di Étienne-Louis Boullée del suo cenotafio (1784). Quest’ultimo ebbe a dire «O Newton, come con la vastità della tua sapienza e la sublimità del tuo genio hai determinato la forma della terra, così ho concepito l’idea di racchiuderti nella tua stessa scoperta.»

A Newton sono stati intitolati un cratere sulla Luna e uno su Marte.

Nel XX secolo, la concezione newtoniana di spazio e tempo è stata superata. Nella teoria della relatività di Albert Einstein lo spazio e il tempo assoluti non esistono più e sono sostituiti da un’entità chiamata spazio-tempo, dove lo spazio e il tempo si influenzano a vicenda. Questa considerazione porta a dei cambiamenti nelle leggi del moto e della meccanica che, a basse velocità (relativamente alla velocità della luce di 299792458 m/s), sono praticamente impercettibili.

La disputa Leibniz-Newton sulla paternità del calcolo infinitesimale

In un carteggio con Leibniz del 1677 Newton rivelò sotto forma cifrata il principio fondamentale del suo calcolo differenziale. Leibniz rispose spiegando i principi dei suoi lavori in questo campo. La disputa ebbe inizio nel 1695 quando Wallis riferì a Newton che in Europa il calcolo era considerato un’invenzione del matematico tedesco. Successivamente, durante il suo soggiorno a Londra, Leibniz fu accusato di aver plagiato Newton. Egli allora si appellò alla Royal Society nel 1704 chiedendo giustizia. Nel 1708 il fisico Keill difese vigorosamente Newton in un articolo su un giornale. Per via dell’insistenza di Leibniz, la Royal Society nominò una commissione incaricata di studiare la questione. Sembra che Newton, nella sua carica di presidente, abbia influito sulla scelta della commissione. Ovviamente dunque questa diede ragione a Newton sostenendo la sua paternità dell’invenzione del calcolo e accusando Leibniz di plagio. Probabilmente Newton stesso redasse il rapporto finale senza firmarlo. Nel 1712 venne pubblicato il carteggio di cinquant’anni prima riguardante il calcolo intitolato Commercium epistolicum. Leibniz si scagliò violentemente contro Newton mettendo in discussione la paternità della teoria della gravitazione universale e la sua ortodossia religiosa, accusandolo di appartenere alla setta dei Rosacroce. Newton rispose a tono e la disputa coinvolse la maggior parte dei matematici del tempo trasformandosi in un vero e proprio caso diplomatico che tra l’altro ostacolò la diffusione delle teorie newtoniane nel continente. Ancora nel 1726, dieci anni dopo la morte di Leibniz, Newton eliminò dai Principia ogni accenno al fatto che i due avessero sviluppato indipendentemente il calcolo infinitesimale. Oggi gli storici della scienza tendono a riconoscere a Newton una priorità nelle applicazioni fisico-meccaniche del calcolo, e a Leibniz una priorità sugli aspetti logico-matematici e sui simboli usati per derivate e integrali. Gli studi storici e filologici hanno anche messo in evidenza il grande contributo dato all’invenzione del calcolo sia dai matematici precedenti Newton e Leibniz, sia i contributi essenziali dei matematici successivi, fra cui i Bernoulli, Eulero, e altri.

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Leonardo astronomo

Leonardo di ser Piero da Vinci (Anchiano, 15 aprile 1452 – Amboise, 2 maggio 1519) è stato un inventore, artista e scienziato italiano. Uomo d’ingegno e talento universale del Rinascimento, considerato uno dei più grandi geni dell’umanità, incarnò in pieno lo spirito della sua epoca, portandolo alle maggiori forme di espressione nei più disparati campi dell’arte e della conoscenza: fu infatti scienziato, filosofo, architetto, pittore, scultore, disegnatore, trattatista, scenografo, anatomista, botanico, musicista, ingegnere e progettista.

Lo scienziato

Secondo il pensiero di Leonardo da Vinci, una prima verità si trae dall’esperienza diretta della natura, dall’osservazione dei fenomeni: «molto maggiore e più degna cosa a leggere» non è allegare l’autorità di autori di libri ma allegare l’esperienza, che è la maestra di quegli autori. Coloro che argomentano citando l’autorità di altri scrittori vanno gonfi «e pomposi, vestiti e ornati, non delle loro, ma delle altrui fatiche; e le mie a me medesimo non concedano; e se me inventore disprezzeranno, quanto maggiormente loro, non inventori, ma trombetti e recitatori delle altrui opere, potranno essere biasimati». Se poi costoro lo criticano sostenendo che «le mie prove esser contro all’alturità d’alquanti omini di gran riverenza appresso a’ loro inesperti iudizi», è perché non considerano «le mie cose esser nate sotto la semplice e mera sperienza, la quale è maestra vera».

«Io credo che invece che definire che cosa sia l’anima, che è una cosa che non si può vedere, molto meglio è studiare quelle cose che si possono conoscere con l’esperienza, poiché solo l’esperienza non falla. E laddove non si può applicare una delle scienze matematiche, non si può avere la certezza. (Codice Atlantico a 119 v)

Se l’esperienza fa conoscere la realtà delle cose, non dà però ancora la necessità razionale dei fenomeni, la legge che è nascosta nelle manifestazioni delle cose: «la natura è costretta dalla ragione della sua legge, che in lei infusamene vive» e «nessuno effetto è in natura sanza ragione; intendi la ragione e non ti bisogna sperienza», nel senso che una volta che si sia compresa la legge che regola quel fenomeno, non occorre più ripeterne l’osservazione; l’intima verità del fenomeno è raggiunta.

Le leggi che regolano la natura si esprimono mediante la matematica: «Nissuna umana investigazione si può dimandare vera scienza, s’essa non passa per le matematiche dimostrazioni», restando fermo il principio per il quale «se tu dirai che le scienze, che principiano e finiscano nella mente, abbiano verità, questo non si concede, ma si niega, per molte ragioni; e prima, che in tali discorsi mentali non accade sperienza, senza la quale nulla dà di sé certezza».

Il rifiuto della metafisica non poteva essere espresso in modo più netto. Anche la sua concezione dell’anima consegue dall’approccio naturalistico delle sue ricerche: «nelle sue [della natura] invenzioni nulla manca e nulla è superfluo; e non va con contrappesi, quando essa fa li membri atti al moto nelli corpi delli animali, ma vi mette dentro l’anima d’esso corpo contenitore, cioè l’anima della madre, che prima compone nella matrice la figura dell’uomo e al tempo debito desta l’anima che di quel debbe essere abitatore, la qual prima restava addormentata e in tutela dell’anima della madre, la qual nutrisce e vivifica per la vena umbilicale» e con prudente ironia aggiunge che «il resto della difinizione dell’anima lascio ne le menti de’ frati, padri de’ popoli, li quali per ispirazione sanno tutti i segreti. Lascio star le lettere incoronate [le Sacre Scritture] perché son somma verità».

Tuttavia, ribadisce: «E se noi dubitiamo della certezza di ciascuna cosa che passa per i sensi, quanto maggiormente dobbiamo noi dubitare delle cose ribelli ad essi sensi, come dell’essenza di Dio e dell’anima e simili, per le quali sempre si disputa e contende. E veramente accade che sempre dove manca la ragione suppliscono le grida, la qual cosa non accade nelle cose certe».

Riconosce validità allo studio dell’alchimia, «partoritrice delle cose semplici e naturali», considerata non già un’arte magica ma «ministratrice de’ semplici prodotti della natura, il quale uffizio fatto esser non può da essa natura, perché in lei non è strumenti organici, colli quali essa possa operare quel che adopera l’omo mediante le mani», ossia scienza dalla quale l’uomo, partendo dagli elementi semplici della natura, ne ricava dei composti, come un moderno chimico; l’alchimista non può però creare alcun elemento semplice, come testimoniano gli antichi alchimisti, che mai «s’abbatero a creare la minima cosa che crear si possa da essa natura» e sarebbero stati meritevoli dei massimi elogi se «non fussino stati inventori di cose nocive, come veneni e altre simili ruine di vita e di mente».

È invece aspramente censore della magia, la «negromanzia, stendardo ovver bandiera volante mossa dal vento, guidatrice della stolta moltitudine». I negromanti «hanno empiuti i libri, affermando che l’incanti e spiriti adoperino e sanza lingua parlino, e sanza strumenti organici, sanza i quali parlar non si pò, parlino e portino gravissimi pesi, faccino tempestare e piovere, e che li omini si convertano in gatte, lupi e bestie, benché in bestia prima entran quelli che tal cosa affermano».

Leonardo è conosciuto soprattutto per i suoi dipinti, per i suoi studi sul volo, probabilmente molto meno per le numerose altre cose in cui è stato invece un vero precursore, come ad esempio nel campo della geologia. È stato tra i primi, infatti, a capire che cos’erano i fossili, e perché si trovavano fossili marini in cima alle montagne. Contrariamente a quanto si riteneva fino a quel tempo, cioè che si trattasse della prova del diluvio universale, l’evento biblico che avrebbe sommerso tutta la terra, Leonardo immaginò la circolazione delle masse d’acqua sulla terra, alla stregua della circolazione sanguigna, con un lento ma continuo ricambio, arrivando quindi alla conclusione che i luoghi in cui affioravano i fossili, un tempo dovevano essere stati dei fondali marini. Anche se con ragionamenti molto originali, la conclusione di Leonardo era sorprendentemente esatta.

Il contributo di Leonardo a quasi tutte le discipline scientifiche fu decisivo: anche in astronomia ebbe intuizioni fondamentali, come sul calore del Sole, sullo scintillio delle stelle, sulla Terra, sulla Luna, sulla centralità del Sole, che ancora per tanti anni avrebbe suscitato contrasti e opposizioni. Ma nei suoi scritti si trovano anche esempi che mostrano la sua capacità di rendere in modo folgorante dei concetti difficili; a quel tempo si era ben lontani dall’aver formulato le leggi di gravitazione, ma Leonardo già paragonava i pianeti a calamite che si attraggono vicendevolmente, spiegando così molto bene il concetto di attrazione gravitazionale. In un altro suo scritto, sempre su questo argomento, fece ricorso a un’immagine veramente suggestiva; dice Leonardo: immaginiamo di fare un buco nella terra, un buco che l’attraversi da parte a parte passando per il centro, una specie di “pozzo senza fine”; se si lancia un sasso in questo pozzo, il sasso oltrepasserebbe il centro della terra, continuando per la sua strada risalendo dall’altra parte, poi tornerebbe indietro e dopo aver superato nuovamente il centro, risalirebbe da questa parte. Questo avanti e indietro durerebbe per molti anni, prima che il sasso si fermi definitivamente al centro della Terra. Se questo spazio fosse vuoto, cioè totalmente privo d’aria, si tratterebbe, in teoria, di un possibile, apparente, modello di moto perpetuo, la cui possibilità, del resto, Leonardo nega, scrivendo che «nessuna cosa insensibile si moverà per sé, onde, movendosi, fia mossa da disequale peso; e cessato il desiderio del primo motore, subito cesserà il secondo».

Anche nella botanica Leonardo compì importanti osservazioni: per primo si accorse che le foglie sono disposte sui rami non casualmente ma secondo leggi matematiche (formulate solo tre secoli più tardi); è una crescita infatti, quella delle foglie, che evita la sovrapposizione per usufruire della maggiore quantità di luce. Scoprì che gli anelli concentrici nei tronchi indicano l’età della pianta, osservazione confermata da Marcello Malpighi più di un secolo dopo. Osservò anche l’eccentricità nel diametro dei tronchi, dovuta al maggior accrescimento della parte in ombra. Soprattutto scoprì per primo il fenomeno della risalita dell’acqua dalle radici ai tronchi per capillarità, anticipando il concetto di linfa ascendente e discendente. A tutto questo si aggiunse un esperimento che anticipava di molti secoli le colture idroponiche: avendo studiato idraulica, Leonardo sapeva che per far salire l’acqua bisognava compiere un lavoro; quindi nelle piante, in cui l’acqua risale attraverso le radici, doveva compiersi una sorta di lavoro. Per comprendere il fenomeno tolse la terra, mettendo la pianta direttamente in acqua, e osservò che la pianta riusciva ancora a crescere, anche se più lentamente.

Biografie: Alan Guth e l’inflazione cosmica

Alan Guth (New Brunswick, 27 febbraio 1947) è un fisico e cosmologo statunitense. Guth ha fatto ricerche nell’ambito della teoria delle particelle elementari e su come questa teoria sia applicabile nei primi istanti di vita dell’Universo. Guth sviluppò per la prima volta l’idea di inflazione nel 1979 alla Stanford University dopo aver assistito ad una lezione di Robert Dicke sul Big Bang. Nel 1981 propose formalmente l’idea dell’inflazione cosmica: un universo nascente passa attraverso una fase di espansione esponenziale che fu guidata da una densità di energia del vuoto positiva (pressione del vuoto negativa). Nel 2006 i risultati di WMAP hanno prodotto dati che non sono in disaccordo con le predizioni teoriche dell’inflazione. Nel 2014 i risultati di BICEP2 hanno prodotto dati che potrebbero confermare le predizioni teoriche se convalidati da ulteriori esperimenti o analisi attualmente in atto (vedi Planck Surveyor). La critica fondamentale[6] alla teoria dell’Inflazione è se sia una teoria falsificabile o meno (principio di falsificabilità). In cosmologia l’inflazione (dal termine inglese inflation, che ha conservato anche l’originario significato di “gonfiaggio” derivato dal latino inflatio) è una teoria che ipotizza che l’universo, poco dopo il Big Bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida, dovuta a una grande pressione negativa. Si stima che l’inflazione sia avvenuta intorno a 10×10−35 s dal Big Bang, sia durata intorno a 10−30 s e abbia aumentato il raggio dell’universo di un fattore enorme, tra 1025 e 1030 (circa un miliardo di miliardi di miliardi di volte). L’ipotesi prevalente è che sia stata generata da un campo di energia chiamato inflatone, forse originato da uno stato instabile dovuto alla non immediata rottura spontanea di simmetria delle forze fondamentali dopo una transizione di fase quantistica; tale campo, caratterizzato da una grande energia di punto zero, avrebbe assunto il ruolo di costante cosmologica, provocando l’espansione quasi esponenziale dell’universo. Al termine della breve fase inflazionaria l’espansione sarebbe ripresa al ritmo precedente secondo la cosmologia standard. La teoria è stata proposta inizialmente da Alexei Starobinski  in Unione Sovietica e contemporaneamente da Alan Guth negli Stati Uniti d’America all’inizio degli anni ottanta. L’espansione inflazionistica può essere introdotta nei modelli attraverso una costante cosmologica non nulla che, a differenza del modello tradizionale del Big Bang, avrebbe allontanato due oggetti ad un ritmo sempre più rapido fino a superare la barriera della velocità della luce. Ciò permette di ipotizzare che tutto l’universo possa essersi sviluppato da una regione causalmente connessa, cioè così piccola che la luce ha potuto attraversarla interamente, determinandone l’equilibrio termico, nel brevissimo tempo intercorso fra la sua “nascita” e l’inizio della fase inflazionaria. Grazie a quest’ultima, l’omogeneità iniziale, ad esempio di temperatura e densità, si sarebbe potuta estendere anche su scala superluminale, cioè a regioni che la luce, in base all’età stimata dell’universo, non ha ancora potuto connettere (problema dell’orizzonte), giustificando l’isotropia della radiazione cosmica di fondo. Oltre a quello dell’orizzonte, l’ipotesi dell’inflazione cosmica risolve diversi rilevanti problemi concettuali o paradossi che affliggevano la teoria standard del Big Bang. Fra questi il problema della piattezza dell’Universo (cioè il fatto che l’Universo sembra essere ottimamente descritto da una geometria con curvatura esattamente pari a 0) e l’assenza di difetti topologici osservati (ad esempio di monopoli magnetici), che invece sarebbero previsti da molte teorie di grande unificazione. Determinati modelli inflazionistici consentono inoltre di eliminare la singolarità iniziale del Big bang teorizzando che l’inflazione possa essersi sviluppata da una fluttuazione dell’energia di una microregione di spaziotempo vuoto (in senso quantistico), fluttuazione che si identificherebbe con lo stesso Big bang (vedi anche Cosmologia quantistica). Le fluttuazioni quantistiche all’interno della regione microscopica ingrandita dall’inflazione a dimensioni cosmiche sarebbero all’origine di piccole disomogeneità gravitazionalmente instabili, cresciute fino a dare origine a strutture come le galassie, gli ammassi di galassie ecc.

Curvatura dello spazio-tempo tendente a zero

Il modello standard di inflazione prevede un universo quasi piatto (la curvatura potrebbe non essere 0, ma la differenza sarebbe trascurabile nella pratica) e l’invarianza di scala delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo. Ci sono anche predizioni riguardo alla fisica delle particelle vicino all’energia di grande unificazione. Negli anni ottanta ci sono stati numerosi tentativi di correlare il campo che genera l’energia del vuoto che causa l’inflazione con campi specifici previsti dalle teorie della grande unificazione, o viceversa di usare l’osservazione dell’universo come un vincolo per queste teorie. Questi sforzi sono stati infruttuosi e la natura esatta del campo che ha dato il via all’inflazione e della sua particella (l’inflatone) resta allo stato attuale una teoria senza alcun supporto sperimentale.

Inflazione e curvatura

Secondo le teorie più accreditate è stato l’inflatone a stirare lo spazio grazie alla creazione di una forza antigravitazionale. Quindi, in base al modello inflazionario, la piattezza dell’universo, a scapito di una geometria chiusa o aperta, è strettamente collegata all’uniformità del cosmo. Il modello inflazionistico però ha evidenziato qualche limite dopo le osservazioni svolte negli ultimi anni delle supernove e degli ammassi di galassie, che hanno indotto gli astronomi a optare per l’ipotesi di un universo curvo e aperto. È stato un compito fondamentale degli studiosi, dalla fine degli anni novanta in poi, la ricerca di spiegazioni alternative che in qualche modo non intaccassero il modello inflazionario; per fare ciò è stata formulata l’ipotesi che esista un’energia aggiuntiva che curverebbe lo spazio indipendentemente dal modello preso in esame.

L’universo a bolle

In alcuni modelli inflazionari si postula l’esistenza di infiniti universi, come fossero bolle separate da immensi spazi vuoti, che si sarebbero sviluppate dal decadimento di uno stato metastabile originario. Tale teoria è però indimostrabile in quanto è concettualmente impossibile lo studio di cose al fuori del nostro universo.

Osservazioni sperimentali

2006: esperimenti BOOMERanG e WMAP

Nel 2006 le misure di anisotropia della radiazione di fondo cosmico da parte di esperimenti su pallone stratosferico come BOOMERanG e da satellite come WMAP hanno prodotto dati in eccellente accordo con le predizioni teoriche dell’inflazione. L’inflazione da ipotesi speculativa è dunque diventata un modello teorico falsificabile.

2009-13: satellite Planck

Dal 2014 si attendono nuovi risultati da ricerche sui dati raccolti dal satellite Planck nel suo periodo di operatività (2009-13) che potrebbero gettare nuova luce sulle teorie inflazionarie

2014: collaborazione BICEP2

Il 17 marzo 2014 è stato annunciato il risultato di una ricerca (collaborazione BICEP2), condotta dell’Harvard CMB Group con il radiotelescopio installato presso la base Amundsen-Scott al polo sud, che mostrerebbe le prime evidenze sperimentali dirette dell’Inflazione cosmica. Tale risultato è stato confutato da un nuovo studio proposto per la pubblicazione sulla rivista “Physical Review Letters”. L’articolo scientifico pubblicato il 19 giugno 2014 contiene una nota aggiunta in appendice in cui si discute della possibile influenza che la polvere cosmica abbia avuto sulla misura. Il 19 settembre 2014 la collaborazione Planck ha pubblicato i risultati della misura della polarizzazione causata dalla polvere galattica, ridimensionando l’importanza dei risultati della collaborazione BICEP: l’effetto causato dalla polvere galattica è della stessa dimensione della polarizzazione misurata da BICEP2; quindi non è ancora possibile stabilire se il modello inflazionario sia corretto. Nel 2016 sono state infine scoperte le onde gravitazionali, ma non ancora la prova dell’inflazione.

Critiche alla teoria dell’Inflazione

Paul Steinhardt, uno dei fondatori della teoria dell’inflazione, negli ultimi anni è diventato molto critico verso di essa. Inizialmente, di fronte alla conferma dell’inflazione con i dati di BICEP2, ha abbandonato la sua teoria dell’universo ecpirotico per rivedere la sua posizione sul modello inflazionario, ma poco tempo dopo è ritornato scettico su quest’ultimo. Sir Roger Penrose, proponente un tempo del Big Bang classico e oggi di una teoria denominata cosmologia ciclica conforme (CCC) afferma che, di fronte ai propri risultati teorici e alle osservazioni successive (che invece, secondo molti, confermerebbero l’inflazione), le teorie maggioritarie tra i fisici non sono secondo lui verificate: in particolare la teoria inflazionistica — da lui sempre criticata — è definita una «fantasia», mentre la teoria delle stringhe è liquidata come fenomeno di «moda» e una «fede», su cui i fisici insisterebbero erroneamente come scorciatoie che vanno contro la relatività generale, come già fecero con la supersimmetria o le molte interpretazioni iniziali della relatività, finché Einstein sistemò la teoria con i suoi calcoli, dove tutti gli altri fallirono. Riguardo alla teoria inflazionaria ha dichiarato:

«Quando ne sentii parlare la prima volta provai orrore. Serve a spiegare perché l’Universo è uniforme e piatto: la fase di espansione rapidissima, chiamata inflazione e verificatasi pochi istanti dopo il Big bang, avrebbe stirato e appiattito tutte le irregolarità. Ma c’è bisogno di una fisica inventata ad hoc, a cominciare dall’inflatone, particella la cui esistenza serve solo a giustificare l’inflazione. È una teoria “artificiale”, che non risolve il problema fondamentale sull’origine dell’Universo: cos’è davvero il Big bang? L’esplosione da cui tutto ha avuto origine non è, come si potrebbe immaginare, l’inverso di un buco nero che collassa su se stesso. Mentre nel collasso di un buco nero la massa è dominata dalla gravità, nel Big bang la gravità è soppressa. E l’inflazione non spiega perché.» Ad esempio, secondo i critici, non si potrebbe vedere un lampo di luce del presunto Big Bang, se la velocità della luce non fosse in ogni caso superiore a quella delle galassie in allontanamento, mentre l’inflazione sostiene che l’espansione fu più veloce della luce, ma allo stesso tempo noi vedremmo le tracce di quella luce primordiale; nella CCC non ci sarebbero queste contraddizioni. Inoltre i risultati di BICEP2 sembrano in conflitto con quelli raccolti successivamente da Planck Surveyor.

Biografie: Walter Baade

Walter Baade (Schröttinghausen, 24 marzo 1893 – Gottinga, 25 giugno 1960) è stato un astronomo tedesco, che emigrò negli Stati Uniti d’America nel 1931. Dopo gli studi all’Università di Gottinga, lavorò presso l’Osservatorio di Amburgo, a Bergedorf, dal 1919 fino al 1931, quando si trasferì negli Stati Uniti, presso l’Osservatorio di Monte Wilson nella Contea di Los Angeles. Fu, inoltre, tra i primi utilizzatori del telescopio di Monte Palomar. Impiegando lastre fotografiche particolari, riuscì a risolvere in stelle l’apparente nebulosità di alcune galassie, in particolare quella di Andromeda. Nel 1944, sfruttando l’oscuramento di Los Angeles a causa della guerra, riuscì a utilizzare al massimo le potenzialità dello strumento, scoprendo in Andromeda due popolazioni stellari che chiamò Popolazione I e Popolazione II. La prima è costituita da gas, polveri e stelle giovani che si trovano nei bracci a spirale, mentre la popolazione II è formata da stelle vecchie poste nella parte centrale. Nelle foto a colori esse si distinguono per il diverso colore; di solito per il colore blu della popolazione I e rossastro della popolazione II. Baade, inoltre, mise in evidenza che le giovani stelle supergiganti di tipo OB si trovano in genere immerse o nelle vicinanze a banchi di materia diffusa, da ciò giunse alla conclusione che le nebulose sono il luogo ove si formano le nuove stelle. Nel 1952 dimostrò che tutte le precedenti determinazioni delle distanze galattiche, calcolate utilizzando le Cefeidi, erano notevolmente errate in difetto. Ciò fu reso possibile dalla sua scoperta dell’esistenza di un altro gruppo di Cefeidi, dette RR Lyrae, con caratteristiche simili alle classiche Cefeidi ma con una relazione periodo-luminosità diversa. Le considerazioni di Baade portarono ad una profonda revisione delle distanze galattiche, costringendo in alcuni casi a raddoppiarle. Aumentarono, in tal modo, le dimensioni conosciute dell’Universo, fino ad allora sottostimate. Assieme a Fritz Zwicky ipotizzò, inoltre, l’esistenza delle stelle di neutroni. Queste scoperte fatte da Baade permisero di conciliare molti dati ricavati dalle osservazioni (fra i quali l’età della Terra, dedotta con metodi radioattivi) con le teorie più accreditate sull’evoluzione dell’universo.

Storia dell’astronomia, dalla scoperta di Plutone ai pianeti extrasolari (2)

Novecento

Il meccanismo delle stelle

Un valido lavoro semplificativo fu portato avanti separatamente da Ejnar Hertzsprung e Henry Norris Russell. Herztsprung ideò una teoria classificatoria delle stelle di uno stesso tipo spettrale secondo la loro luminosità, la temperatura e la massa. L’intuizione matematica sfocerà poi in un diagramma sviluppato parallelamente da Russell dove si rappresentano le tipologie di stelle secondo uno schema logico e secondo classi di stelle. Tuttavia, seppur il diagramma Hertzsprung-Russell chiariva le tipologie e i comportamenti delle stelle, restava ancora da capire quale fosse il meccanismo evolutivo e la dinamica interna delle stelle. Arthur Stanley Eddington sin dall’inizio dei suoi studi si interessò dell’equilibrio interno delle stelle e dei connessi meccanismi. Egli applicò la legge dei gas perfetti alle stelle, riuscendo a calcolare la luminosità di una stella qualora fossero noti la massa e il raggio. Successivamente si occupò del meccanismo delle Cefeidi scoperte da Henrietta Swan Leavitt. Eddington intuì che alle variazioni di luminosità erano associate variazioni di raggio della stella. I suoi studi sull’equilibrio delle stelle descrivevano il modello stellare come un equilibrio di forze: il variare della forza gravitazionale e di quella raggiante determinava una variazione dei meccanismi interni della stella. Eddington tra l’altro intuì che il “motore” delle stelle era legato a una qualche forma di radioattività che agiva rompendo i nuclei degli elementi secondo qualche reazione sub-atomica. Nel 1920 egli considerò l’idrogeno quale responsabile di reazioni nucleari innescate dalle pressioni e temperature interne delle stelle; a quelle condizioni il processo di rottura dei nuclei tende ad auto alimentarsi innescando delle reazioni esotermiche.

L’espansione dell’Universo

Lo scienziato che ha rivoluzionato il comune modo d’intendere la materia e l’universo è stato senza dubbio Albert Einstein. Nel 1905 pubblicò la sua “Teoria della relatività ristretta” che avrebbe sconvolto le basi della fisica classica. In essa, ad esempio, si enunciava che il tempo non è da considerarsi un concetto assoluto, ma relativo, in quanto esso varia in base alla velocità dell’osservatore. Nella relatività ristretta si trova anche la famosa formula E=mc², e la spiegazione delle emissioni luminose in quanti di energia chiamati successivamente fotoni; in questo modo fu anche possibile spiegare l’effetto fotoelettrico, la cui interpretazione è impossibile con la fisica classica. Nel 1916 espose in forma definitiva la sua “Teoria della relatività generale”, secondo la quale la gravità di un corpo è in grado di modificare le proprietà dello spazio fisico, ipotizzando così la curvatura dello spazio-tempo. La validità delle sue affermazioni teoriche fu confermata sperimentalmente grazie alle misure della rotazione dell’orientamento dell’orbita di Mercurio, dal fenomeno di redshift delle stelle, e infine dalla curvatura dei raggi luminosi nei campi gravitazionali. Nel 1950 pubblicò un’appendice alla sua teoria della relatività nella quale spiegava lo spazio quadridimensionale e l’idea di un universo come entità finita in espansione. Successivamente, nel 1953 pubblicò una seconda appendice in cui esponeva i principi di una “Teoria del campo unificato” mediante la quale si mette in relazione la gravitazione e l’elettromagnetismo, il che ricondurrebbe ad un’unica teoria i fenomeni fisici macroscopici. Tale idea adesso prende il nome di “Teoria del tutto” in cui si ipotizza l’unione di tutte le forze fisiche in un’unica teoria.  Nel 1929, Edwin Hubble osservò uno spostamento dello spettro delle galassie verso il rosso. Questo spostamento, detto anche redshift, poteva essere spiegato solamente come un effetto dell’allontanamento delle galassie le une dalle altre. Riportando su di un diagramma la velocità di allontanamento delle galassie e la distanza, notò che il grafico aveva un andamento lineare, il che significava che all’aumentare della distanza la velocità delle galassie aumentava. Ma non solo: l’osservazione di oggetti distanti riporterebbe la visione dell’Universo come era nel passato. Egli quindi introdusse una famosa costante (detta poi “costante di Hubble”) che lega questa importante relazione. Nel 1931 Georges Lemaître, in un articolo pubblicato sulla rivista Nature, propose che l’Universo si fosse espanso a partire da un punto iniziale, che egli chiamò atomo primigenio; tale teoria fu poi meglio conosciuta con la denominazione di Big Bang.

La scoperta di Plutone

Il 18 febbraio del 1930 l’astronomo Clyde Tombaugh scoprì Plutone. All’epoca si credeva che le perturbazioni osservate nell’orbita di Nettuno fossero dovute all’esistenza di un altro pianeta; quando Tombaugh scoprì Plutone si pensò di avere risolto il problema, ma studi successivi dimostrarono che Plutone era troppo piccolo per causare tali perturbazioni.

La nostra galassia e le galassie

Nel 1917 Harlow Shapley, studiando la distribuzione degli ammassi globulari, arrivò alla conclusione che il Sole non si trova al centro della Galassia (come aveva creduto William Herschel) ma in una posizione periferica. Shapley riteneva inoltre che le nebulose a spirale, scoperte nel secolo precedente da William Parsons, facessero parte della nostra galassia. Nel 1924 Edwin Hubble annunciò la scoperta che le nebulose a spirale erano invece altre galassie. Hubble classificò le galassie in base al loro aspetto, raggruppandole in tre classi (ellittiche, spirali e spirali barrate).

Un valido rivale di Hubble nel campo dello studio delle galassie fu Fritz Zwicky. Utilizzando il telescopio del Monte Palomar, scoprì un gran numero di galassie compatte, costituite dal solo nucleo. Dallo studio approfondito della loro distribuzione notò la tendenza delle galassie ad unirsi in superammassi. Già dal 1933 Zwicky ipotizzava la possibile esistenza della materia oscura: osservando le interazioni gravitazionali di alcune galassie, notò che la materia visibile era insufficiente per tenerle unite, e stimò quindi la presenza di una quantità di materia complessiva venti volte superiore a quella visibile. Nel 1934, dopo la scoperta in laboratori terrestri dell’esistenza dei neutroni, Zwicky assieme a Baade ipotizzò che le esplosioni di supernovae avrebbero potuto lasciare come residuo un nucleo consistente di neutroni, ossia una “stella di neutroni”. Per più di trent’anni la loro esistenza è stata considerata una pura speculazione teorica. In seguito però, nel 1967, Jocelyn Bell e Anthony Hewish rilevarono dei segnali radio pulsanti provenienti da una direzione fissa nello spazio. A seguito di successive osservazioni si scoprì che le pulsazioni, della durata di circa 2 centesimi di secondo, si ripetevano con intervalli costanti di circa 1 secondo: le pulsazioni provenivano da una pulsar, ossia da una stella di neutroni.

Buchi neri

La prima ipotesi di buco nero fu formulata nel 1796 da Laplace, il quale ipotizzò l’esistenza di stelle “invisibili”, in quanto talmente massive da rendere impossibile la fuoriuscita della luce da esse. Quando fu introdotta la Relatività Generale, l’esistenza dei buchi neri ebbe un supporto teorico non indifferente. Karl Schwarzschild infatti, sfruttando le basi teoriche della Relatività, postulò l’esistenza del “raggio di Schwarzschild” o “orizzonte degli eventi”, una regione attorno ad un buco nero dalla quale la luce non può sfuggire. Il raggio di questa regione dipende dalla massa del corpo, e il suo valore è di 2,95 volte la massa del corpo stesso, espresso in masse solari. Robert Oppenheimer dimostrò nel 1939 come un corpo di grande massa, che abbia consumato il suo combustibile, possa collassare per formare un buco nero. La sua dimostrazione però restò confinata nella teoria fino al 1965, quando fu scoperto, a 7000 anni luce di distanza dalla Terra, un possibile buco nero, Cygnus X-1: un oggetto troppo grande per essere una stella di neutroni e troppo piccolo per essere una stella comune.

Lo stato stazionario

Dopo il secondo conflitto mondiale, gli scienziati Hoyle, Gold e Bondi, indipendentemente proposero un modello di universo stazionario. Per non cadere in contraddizione con la legge di Hubble (dunque sull’evidenza di un universo in espansione), ipotizzarono un Universo in movimento, ma stazionario nella sua evoluzione, ossia immutabile nel tempo e uniforme. La sua densità quindi, invece di diminuire come nel modello in espansione, si manterrebbe costante grazie ad una continua creazione di materia dal “nulla”; in questo modo si avvalorerebbe il principio cosmologico perfetto, che ipotizza un Universo uniforme nella sua distribuzione e uguale nel tempo, ammettendo l’uguaglianza delle leggi fisiche in ogni luogo. Infatti il modello in espansione pone dei dubbi su tale ipotesi. Fred Hoyle, fervido sostenitore dello stato stazionario, fu anche lo scienziato che suggerì l’idea che il “combustibile” nucleare delle stelle fosse l’elio, il quale avrebbe formato nel nucleo delle stelle svariati elementi, tra cui il carbonio, l’ossigeno e persino elementi pesanti come il ferro.

La radiazione di fondo

Nel 1948, presso la George Washington University, Alpher, Gamow e Herman ipotizzarono che subito dopo il Big Bang, quando l’Universo aveva un’età stimabile in frazioni di secondo, doveva essersi prodotta una radiazione cosmica di fondo per effetto dell’espansione, con un valore di 5 K. Inoltre, George Gamow ipotizzava che l’universo primordiale fosse estremamente caldo, e che la successiva espansione, col conseguente abbassamento delle temperature, avrebbe poi “congelato” la composizione della materia primordiale. Il suo calcolo infatti sarà successivamente confermato dalle osservazioni.

Nel 1965, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, dei Bell Telephone Laboratories in New Jersey, mentre compivano ricerche su un disturbo continuo alle comunicazioni intercontinentali, scoprirono l’esistenza di una radiazione costante, priva di variazioni stagionali o di direzioni preferenziali. Casualmente, dei ricercatori dell’università di Princeton seppero dei risultati di Penzias e Wilson, interpretando la scoperta come la prova dell’esistenza della radiazione di fondo. Successivamente si ebbe conferma che essa emetteva a 3 K: era la conferma dell’esistenza della radiazione che permea l’Universo, il cosiddetto “eco del Big Bang”. La sconvolgente scoperta ha soppiantato la teoria dello stato stazionario, dando prova evidente dell’origine e dell’espansione dell’Universo. Per la scoperta, Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel.

Lo sviluppo dell’astronautica

L’astronomia ha avuto un ulteriore sviluppo con la nascita dell’astronautica: grazie ad essa è stato possibile conoscere l’universo in maniera più approfondita e precisa. Infatti col lancio dei primi satelliti artificiali è stato possibile scoprire alcuni aspetti dell’universo altrimenti sconosciuti. Grazie al satellite Explorer 1 nel 1958 furono scoperte le fasce di van Allen, successivamente con l’ulteriore sviluppo dei programmi spaziali il raggio d’azione dell’astronautica si ampliò, con l’invio delle prime sonde spaziali verso la Luna. Oltre al passo fondamentale dello sbarco sulla Luna nel 1969 (preceduto dall’esplorazione delle sonde automatiche Surveyor), furono avviate anche altre missioni di esplorazione del sistema solare: nel 1961 l’Unione Sovietica inviò le prime sonde su Venere e Marte.

Nel 1965 la sonda Statunitense Mariner 4 effettuò per prima il sorvolo di Marte trasmettendo immagini. Nel 1971 la sonda sovietica Venera 7 fu la prima ad atterrare su Venere, mentre la successiva Venera 9 inviò anche delle immagini della superficie. Nello stesso anno la sovietica Mars 3 atterrò su Marte senza però inviare immagini. Si dovette attendere il 1976 con l’americana Viking per scoprire l’aspetto del pianeta dal suolo. Due anni prima la sonda Mariner 10 raggiunse Mercurio.

Grazie alle missioni interplanetarie Pioneer nel 1973 la Pioneer 10 fu la prima sonda ad inviare immagini ravvicinate di Giove. La Pioneer 11 sorvolò per prima Saturno nel 1979. L’avvio del Programma Voyager consentì la conoscenza dettagliata dei pianeti gassosi del sistema solare, ma soprattutto il primo sorvolo di Urano nel 1986 e di Nettuno nel 1989 da parte del Voyager 2.

Nel 1986 grazie al passaggio ravvicinato della cometa di Halley, la sonda Giotto fu la sonda che più si avvicinò all’astro eseguendo spettacolari fotografie. Negli anni novanta la sonda Ulysses ha eseguito le prime osservazioni dei poli del Sole.

Un rinnovato interesse verso la Luna e Marte ha permesso l’avvio di una serie di programmi di esplorazione di questi ultimi corpi, con l’intenzione di preparare in futuro lo sbarco umano su Marte. Le conoscenze astronomiche sono state notevolmente estese con l’invio in orbita del telescopio spaziale Hubble, il quale ha consentito di spingere lo sguardo l’oltre i confini già raggiunti dai telescopi a terra. Grazie al telescopio spaziale infatti è stato possibile scoprire che l’universo è attualmente in una fase di espansione accelerata e che esso appare, in regioni dello spazio profondo, assai uniforme

La teoria inflazionaria

Nel 1981, il fisico Alan Guth ipotizzò la teoria dell’universo inflazionario. A seguito di ricerche effettuate dai cosmologi, si è giunti a comprendere che non tutta la materia esercita un’attrazione gravitazionale: si pensa, infatti, che ad alte temperature e densità esiste della materia che “antigravita”. Con questo presupposto, Guth ha ipotizzato la possibilità che nelle prime frazioni di secondo di vita dell’universo, precisamente nell’intervallo tra i 10−35 e i 10−32 secondi dopo il Big Bang, l’influenza dell’antimateria abbia favorito un’espansione fortemente accelerata. In questo modo si potrebbe spiegare l’apparente omogeneità dell’Universo. Tale teoria necessita ancora di evidenze osservative che possano avvalorare la sua sostenibilità. Nel 1998 tre team indipendenti di scienziati hanno scoperto, analizzando i dati relativi alle supernovae Ia dal telescopio Hubble, che l’Universo non solo si espande ma la sua espansione è accelerata. Nel 2011 questa scoperta ha premiato gli scienziati Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Reiss del Premio Nobel per la Fisica. Questa scoperta, successivamente avvalorata anche dalle misure del telescopio Spitzer, pone in realtà un enorme problema cosmologico, dato che sino a poco tempo fa si considerava l’espansione il solo frutto della spinta finale del big bang. Oggi si suppone che questa espansione accelerata dipenda da un qualche ruolo dell’energia oscura che tenderebbe a vincere la gravità naturale tra le galassie con un effetto opposto.

La teoria delle stringhe

La teoria delle stringhe, talvolta definita teoria delle corde, è una teoria della fisica che ipotizza che la materia, l’energia e in alcuni casi lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche sottostanti, chiamate appunto stringhe o brane, a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano. Le sue basi sono state gettate nel 1968 quando il fisico teorico Gabriele Veneziano cercando di capire la forza nucleare forte, fece una sensazionale scoperta. Egli trovò che una funzione a variabili complesse creata dal matematico svizzero Leonhard Euler (latinizzato Eulero), la funzione beta, si adattava perfettamente ai dati sull’interazione forte; applicando la funzione beta alla forza forte, la formula funzionava, ma nessuno sapeva spiegarsi perché. La teoria ribalta molti aspetti della fisica tradizionale, ipotizzando tra l’altro l’esistenza di corde gravitazionali su cui sarebbero racchiuse 14 dimensioni. Se da un lato questa teoria è in grado di spiegare certi processi ancora oscuri legati alla struttura dell’universo, dall’altro non è ancora in grado di produrre alcuna predizione sottoposta a verifica sperimentale; non esistono quindi conferme evidenti della teoria. È tuttavia una teoria molto attiva ed in veloce sviluppo

Il XXI secolo lo apriamo con la scoperta dei pianeti extrasolari …

Nel 1992 furono scoperti due pianeti extrasolari attorno a una pulsar[135], e nel 1995 Michel Mayor e Didier Queloz confermarono l’esistenza del primo pianeta extrasolare attorno a una stella simile al Sole. La notizia suscitò grande clamore nel mondo scientifico. Da quel momento l’affinamento delle tecniche osservative ha permesso uno sviluppo esponenziale delle scoperte con metodi sempre più precisi, e lo sviluppo di apposite missioni spaziali hanno fatto della ricerca di esopianeti uno degli argomenti di maggior interesse astronomico. Diversi pianeti sono stati scoperti nel XXI secolo con il metodo della velocità radiale, soprattutto pianeti giganti, mentre con il lancio di telescopi spaziali prima di COROT e in seguito di telescopio spaziale Kepler, sono stati scoperti migliaia di pianeti utilizzando il metodo del transito, nonostante, nel caso di Kepler, si sia osservata solamente una piccola porzione di cielo. L’interesse si è spostato sempre più nella ricerca di pianeti simili alla Terra posti ad una certa distanza dalla propria stella, nella cosiddetta zona abitabile, dove potrebbe esistere acqua liquida in superficie, condizione favorevole per ospitare forme di vita. Sono stati scoperti sistemi planetari piuttosto diversi dal sistema solare, la cui conformazione rimette in discussione le teorie di formazione planetaria normalmente accettate.

Storia dell’astronomia dalle origini all’Ottocento (1)

La storia dell’astronomia, probabilmente la più antica delle scienze naturali, si perde nell’alba dei tempi, antica quanto l’origine dell’uomo. Il desiderio di conoscenza ha sempre incentivato gli studi astronomici sia per motivazioni religiose o divinatorie, sia per la previsione degli eventi: agli inizi l’astronomia coincide con l’astrologia, rappresentando allo stesso tempo uno strumento di conoscenza e potere; solo dopo l’avvento del metodo scientifico si è giunti a una separazione disciplinare netta tra astronomia e astrologia. Fin dai tempi antichi, gli uomini hanno appreso molti dati sull’universo semplicemente osservando il cielo; i primi astronomi si servirono unicamente della propria vista o di qualche strumento per calcolare la posizione degli astri. Nelle società più antiche la comprensione dei “meccanismi celesti” contribuì alla creazione di un calendario legato ai cicli stagionali e lunari, con conseguenze positive per l’agricoltura. Sapere in anticipo il passaggio da una stagione all’altra era di fondamentale importanza per le capacità di sopravvivenza dell’uomo antico. Pertanto l’investigazione della volta celeste ha costituito da sempre un importante legame tra cielo e terra, tra uomo e Dio. Con l’invenzione del telescopio l’uomo è riuscito ad indagare più a fondo sulle dinamiche celesti, aprendo finalmente una “finestra” sull’universo e le sue regole. Sarà poi l’evoluzione tecnica e l’avvio delle esplorazioni spaziali ad ampliare ulteriormente il campo di indagine e le conoscenze del cosmo.

Origine dell’astronomia

L’uomo, fin dalle sue origini, ha sempre osservato la volta celeste alla ricerca di possibili correlazioni tra le proprie vicende ed i fenomeni cosmici; da questa esigenza “primordiale” e dalla fantasia e creatività tipiche dell’essere umano nacquero le costellazioni. Esse rispondevano ad una serie di requisiti sia di tipo pratico (come indicatori naturali dello scorrere del tempo, come punti di riferimento dell’orientamento per terra e per mare e come segnalatori dei momenti migliori per intraprendere le attività agricole) che religioso (le stelle, quali luci naturali in un cielo buio, erano identificate con le divinità preposte alla protezione delle vicende umane). Le prime conoscenze astronomiche dell’uomo preistorico consistevano essenzialmente nella previsione dei moti degli oggetti celesti visibili, stelle e pianeti. Un esempio di questa astronomia alle prime armi sono gli orientamenti astronomici dei primi monumenti megalitici come il famoso complesso di Stonehenge, i tumuli di Newgrange, i Menhir e diverse altre costruzioni concepite per la stessa funzione. Molti di questi monumenti dimostrano un antico legame dell’uomo col cielo, ma anche l’ottima capacità di precisione delle osservazioni.

Pare che nel Paleolitico l’uomo considerasse il cielo come il luogo in cui prendevano forma le storie delle divinità; a dimostrazione di ciò vi sono tracce di un culto attribuito all’asterismo della “Grande Orsa” da parte dei popoli che abitavano oltre le due sponde dello stretto di Bering, che all’epoca dell’ultima glaciazione univa America e Asia. Studi recenti sostengono che già nel Paleolitico superiore (circa 16 000 anni fa) era stato sviluppato un sistema di venticinque costellazioni, ripartite in tre gruppi che rappresentavano metaforicamente Paradiso, Terra ed Inferi:

  • Primo gruppo, Mondo superiore: creature aeree (Cigno, Aquila, Pegaso, ecc.) – avevano alla culminazione la maggiore altezza sull’orizzonte;
  • Secondo gruppo, Terra: creature terrestri (Perseo, Vergine, Serpente, Orione, ecc.) – alla culminazione raggiungevano un’altezza media sull’orizzonte;
  • Terzo Gruppo, Mondo inferiore: creature acquatiche (Pesci, Balena, Nave Argo) – erano collocate per la maggior parte del tempo al di sotto dell’orizzonte.

Nel Neolitico, per meglio memorizzare gli astri, vennero attribuiti agli asterismi somiglianze e nomi, non sempre antropomorfi, alludenti ad aspetti ed elementi della vita agricola e pastorale. Le costellazioni zodiacali, che si trovano in prossimità della linea percorsa dal Sole durante l’anno (eclittica), furono le prime, per ragioni soprattutto pratiche, ad essere codificate nel cielo: data la preminenza di un’economia di tipo agro-pastorale, era necessario conoscere bene i vari periodi dell’anno in cui effettuare semine, raccolti, accoppiamenti e tutte le pratiche legate a questo mondo

I popoli della Mesopotamia

I primi segnali di una civiltà babilonese ben sviluppata si hanno attorno al 2700 a.C. Questo popolo dimostrò di possedere eccezionali competenze astronomiche, dando successivamente contributi importanti anche agli egizi e ai popoli indiani. La necessità di perfezionare le conoscenze in campo astronomico non proveniva solo dalla necessità di avere un buon calendario su cui fare riferimento, ma anche da convinzioni astrologiche: erano gli stessi sovrani a richiedere precise previsioni astrologiche agli astronomi di corte. Fu quindi la necessità di prevedere la posizione della Luna e dei pianeti, di capire il meccanismo delle eclissi di Sole e di Luna, ritenuti eventi infausti, a far perfezionare le conoscenze e le ricerche astrologiche.

Questi popoli, pur non avendo a disposizione strumenti di precisione, intuirono il moto apparente dei pianeti basandosi sulla posizione di alcune stelle di riferimento nel cielo. Scoprirono anche i periodi sinodici dei pianeti Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno con un margine di errore di pochi giorni, riportando in seguito le previsioni su tavolette effemeridi. Queste ultime potevano esser consultate per sapere, in qualsiasi momento, quando un pianeta era stazionario in cielo o in opposizione.

Osservando il moto lunare, gli astronomi mesopotamici si accorsero che le fasi avevano tempi ben definiti: da qui partì l’intuizione di come il Sole, la Terra e la Luna si trovassero periodicamente nella medesima posizione. Questa scoperta si riferisce al cosiddetto “saros”: dopo 223 lunazioni (18,10 anni) la Luna comincia un ciclo in cui le eclissi si ripetono con la stessa cadenza registrata nel ciclo precedente Grazie alla loro straordinaria abilità nell’effettuare calcoli matematici (introdussero l’algebra), determinarono la durata del mese sinodico lunare con un errore di 30 secondi nell’arco di 5.000 lunazioni. La loro abilità nello studio del cielo li portò ad identificare la fascia dello zodiaco e l’eclittica, da essi chiamata “via del Sole”, in cui trovare i pianeti. Questa fascia in seguito venne divisa in 360 parti, una per ogni giorno dell’anno, introducendo così l’uso del sistema sessagesimale per il calcolo dei gradi. Ebbero l’intuizione di raggruppare le stelle in costellazioni dando loro anche dei nomi.

Gli astronomi babilonesi furono i primi a dividere il giorno in 24 ore, anche se per loro il giorno cominciava la sera, mentre il mese cominciava all’emergere della Luna dalle luci del tramonto subito dopo il novilunio. Fissarono un calendario di 12 mesi lunari di 29 e 30 giorni alternati in maniera non regolare, dividendo i mesi in settimane. Il primo giorno dell’anno però cominciava con il plenilunio di primavera. Per correggere il calendario, anch’essi ebbero bisogno di intercalare mesi aggiuntivi per far tornare i conti, ottenendo comunque una misura precisa nel tempo.

Gli egizi

Le conoscenze astronomiche degli egizi, in parte riscontrabili nella costruzione delle piramidi e di altri monumenti allineati secondo la posizione delle stelle, presenta come punto di forza il calendario. Il trascorrere della vita in Egitto era fortemente legato a quella del fiume Nilo e delle sue periodiche alluvioni, le quali avvenivano con una certa costanza, in genere ogni 11 o 13 lunazioni. Gli egiziani si accorsero che l’inizio delle inondazioni avveniva quando si alzava nel cielo la stella Sirio (“Sopdet” per gli egizi) con un errore di 3-4 giorni al massimo.

Con questo riferimento sorsero diversi calendari, il primo era il “calendario lunare” di 354 giorni con mesi di 29 o 30 giorni. Ma nel tempo si notarono errori di calcolo, così ne fu introdotto un secondo definito “calendario civile” di 365 giorni, con 30 giorni ogni mese e 5 epagomeni ogni anno[15]. Ma anche questo calendario mostrava qualche differenza con la realtà. Così fu introdotto un “ultimo calendario” ancora più preciso, il quale possedeva un ciclo di 25 anni in cui veniva aggiunto un mese intercalare nel 1º, 3º, 6º, 9º, 12º, 14º, 17º, 20º, e 23º anno di ogni ciclo. Questo calendario, estremamente preciso, venne utilizzato anche da Tolomeo nel II secolo d.C. e venne preso in considerazione sino ai tempi di Niccolò Copernico. Da ricordare che i mesi di 30 giorni erano divisi in settimane di 10 giorni e in 3 stagioni di 4 mesi detti: mesi dell’inondazione, mesi della germinazione, mesi del raccolto.

Già dal 3000 a.C. gli egizi avevano in uso la divisione delle ore (immaginate come divinità) diurne e notturne in dodici parti ciascuna: per le ore diurne usavano regolare il tempo con le meridiane, mentre per le ore notturne si servivano di un orologio stellare, ovvero osservavano le posizioni di 24 stelle brillanti. Le ore così misurate sia di giorno che di notte avevano una durata diversa a seconda della stagione, mantenendo comunque una durata media di 60 minuti. Successivamente, per le ore notturne vennero introdotti i “decani”, ovvero 36 stelle poste in una fascia a sud dell’eclittica, ognuna delle quali indicava con maggior precisione l’orario.

I cinesi

L’antica astronomia cinese è celebre per la grande tradizione di osservazioni astronomiche sin dal 2000 a.C.: al 1217 a.C. risale la registrazione di un’eclissi solare.

Astronomi cinesi osservarono e registrarono passaggi di comete o altri eventi come l’esplosione della supernova del Granchio del 1054. Si arrivò anche alla realizzazione di un calendario lunisolare composto di 360 giorni, a cui venivano aggiunti 5 giorni epagomeni; esso sorse probabilmente già dal secondo millennio a.C. Il calendario cinese tuttavia non raggiunse mai il livello di precisione dei calendari di altre civiltà come quella babilonese o maya. Nel IV secolo a.C., nel periodo dei regni combattenti, Shi Shen e Gan De redassero due cataloghi stellari, tra i primi della storia. A Gan De sono attribuite anche le prime osservazioni dettagliate di Giove.

Astronomia greca

I primi astronomi greci

L’uomo a cui si devono le prime indagini conoscitive sul mondo e sull’astronomia fu Talete di Mileto (vissuto tra il VII ed il VI secolo a.C.), fondatore della scuola ionica. Egli stimò con buona approssimazione che i diametri apparenti del Sole e della Luna sono la 720ª parte del circolo percorso dal Sole; gli è stata attribuita anche la divisione dell’anno in quattro stagioni e 365 giorni, nonché la previsione di solstizi ed equinozi, e di un’eclissi di Sole.

Anassimandro (anche lui vissuto tra il VII ed il VI secolo a.C.) fu l’inventore dello gnomone per rilevare l’altezza del Sole e della Luna e quindi l’inclinazione dell’eclittica. Egli riteneva il mondo un cilindro posto al centro dell’universo con i corpi celesti che vi ruotano attorno, supponendo l’esistenza di mondi infiniti in tutte le direzioni, e avendo così la prima intuizione del principio cosmologico.

Iceta di Siracusa fu il primo ad asserire che «la terra si muove secondo un circolo» A lui farà eco anche Ecfanto di Siracusa che sosteneva la rotazione della terra sul proprio asse secondo un moto apparente del sole da oriente verso occidente. Un contributo maggiore lo diede Filolao (470 a.C. – 390 a.C.), della scuola Pitagorica, che sosteneva un modello di sistema solare non geocentrico; al centro dell’universo vi era un grande fuoco dove ruotavano la Terra, l’Antiterra, la Luna, il Sole, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. L’esistenza dell’antiterra fu introdotta probabilmente per giustificare l’invisibilità del fuoco centrale che veniva occultato da quest’ultima, nonché dalla necessità filosofica di arrivare ad un numero totale di dieci corpi.

Platone (428 o 427 a.C. – 348 o 347 a.C.) ebbe dapprima una visione dell’universo eliocentrica, poi ritrattata in tarda età per il geocentrismo. Intuì tuttavia la sfericità della Terra, sostenendo anche che la Luna ricevesse luce dal Sole.

Le sfere di Eudosso

Eudosso di Cnido (408 a.C. – 355 a.C.) introdusse il concetto di sfere omocentriche, ossia di un universo diviso in sfere aventi un unico centro di rotazione in cui si trovava la Terra; in ogni sfera vi era poi un pianeta con un moto circolare ed uniforme differente da quello degli altri. In questo modo diede spiegazione dei movimenti retrogradi e degli stazionamenti periodici dei pianeti: per le stelle fisse fu facile attribuire una sfera immobile, mentre per i pianeti e per la Luna il moto veniva spiegato con una prima sfera che induceva un moto diurno, un’altra per il moto mensile ed infine una terza ed una quarta con diverso orientamento dell’asse per il moto retrogrado. Tenendo conto che il Sole ne possedeva tre, si giunse ad un sistema di ben 27 sfere.

Aristotele (384 o 383 a.C. – 322 a.C.) fu la causa dello stallo astronomico per quasi 2000 anni. Egli attribuì una realtà fisica alle sfere di Eudosso, alle quali ne aggiunse altre per sopperire alle evidenze osservative. Ipotizzò un complicato sistema di 55 sfere animate da un motore immobile dal quale partiva l’impulso al moto di tutte le sfere, mentre l’attrito contribuiva a creare un moto differente per ogni sfera.

Il “Copernico dell’antichità”, Aristarco di Samo

Aristarco di Samo (310-230 a.C. circa) perfezionò la visione dell’universo di Eraclide Pontico (385 a.C. – 322 o 310 a.C.) spostando il Sole al centro dell’universo; il moto dei corpi diveniva più semplice da spiegare, anche se in maniera non ancora perfetta, data la mancata applicazione delle orbite ellittiche. Inoltre, considerò il moto rotatorio della Terra su di un asse inclinato, spiegando così le stagioni.

Aristarco fu anche famoso per il metodo di misura della distanza tra la Terra-Sole. Al primo quarto di Luna, quando risulta visibile anche il Sole, i due astri formano un angolo di 90°. Considerando l’ipotetico triangolo tra i tre corpi, Aristarco misurò quello della Terra con la Luna ed il Sole, trovando un valore di 87°. In questo modo, con un semplice calcolo trigonometrico ottenne che la distanza Terra-Sole era 19 volte maggiore di quella tra la Terra e la Luna. Il valore in verità è di 400 volte, ma l’importanza di tale misura non consiste nella precisione riscontrata, quanto nel metodo usato e nell’intuizione.

La prima misura del meridiano terrestre

Lo scienziato che per primo misurò la lunghezza del meridiano terrestre fu Eratostene di Cirene (275 a.C. circa – 195 a.C. circa), in Egitto. Il metodo che adottò non è noto. Si è però tramandata una versione semplificata, descritta da Cleomede nel suo De motu Circulari Corporum Caelestium. La versione di Cleomede prendeva in considerazione due città: Alessandria e Siene, l’odierna Assuan. Assumendo l’ipotesi semplificata che fossero sullo stesso meridiano (in realtà sono separate da 3° di longitudine), si misura dapprima la distanza tra le due città, ponendo concettualmente i raggi solari paralleli tra loro: questa situazione è possibile in alcuni giorni dell’anno; il giorno del solstizio d’estate, infatti, a Siene (assunta ipoteticamente sul Tropico del Cancro) il Sole è allo zenit e i raggi risultano verticali, mentre ad Alessandria formano un certo angolo: questo angolo corrisponde all’angolo posto ipoteticamente al centro della Terra tra le rette che congiungono le due città. Il suo valore era di 1/50 di angolo giro (ancora i gradi sessagesimali non erano stati ufficialmente introdotti), che equivaleva a 250.000 stadi, ossia a 39.400 km (contro i circa 40.000 reali).

Gli epicicli e i deferenti e il contributo di Ipparco

Allo scopo di descrivere con precisione il moto della Terra e degli altri pianeti, Apollonio di Perga (262 a.C. – 190 a.C.) introdusse il sistema degli epicicli e dei deferenti, una tecnica di scomposizione del moto in armoniche. In questo modello matematico, i pianeti descrivevano orbite scomponibili in un’orbita circolare, percorsa ad una velocità costante, chiamata epiciclo, mentre il centro della stessa orbita avrebbe ruotato attorno ad un cerchio immateriale detto deferente. L’applicazione del modello alla realtà dovette prendere in considerazione le differenze osservative: fu allora introdotto il modello eccentrico, con la Terra non perfettamente al centro del deferente. Il metodo degli epicicli e dei deferenti permetteva di calcolare la rivoluzione dei pianeti con grossa precisione, spiegando i moti retrogradi e persino le variazioni di luminosità del pianeta.

Ipparco di Nicea (190 a.C. – 120 a.C.), utilizzando vecchie osservazioni e cataloghi stellari primordiali, ne creò uno nuovo con 850 stelle, assegnandovi per primo il sistema di coordinate eclittiche. Classificò quindi le stelle in una scala di sei grandezze oggi note come magnitudini stellari. Tramite questi elementi Ipparco poté notare che tra le sue osservazioni e quelle del passato vi era una certa differenza; questo implicava lo spostamento del centro di rotazione del cielo, e quindi la precessione degli equinozi. Il suo studio fu così accurato che poté calcolare i valori di spostamento supposti in 46″ d’arco all’anno (il valore stimato è di 50,26″), per cui poté stabilire con buona precisione la differenza tra anno tropico e sidereo.

L’ultimo grande astronomo dell’antichità

La fama di Claudio Tolomeo (100 circa – 175 circa) è stata tramandata principalmente grazie al libro L’Almagesto (Mathematikè Syntaxis). I libri dell’Almagesto sono un riepilogo di tutto il sapere del passato ed erano talmente completi da divenire in breve tempo un riferimento duraturo per i secoli futuri. In essi Tolomeo riprese e riadattò le vecchie teorie astronomiche alle nuove scoperte: stabilì il sistema geocentrico come punto irremovibile delle sue idee, dal quale giustificò il moto dei pianeti con le teorie di Apollonio ed Ipparco usando epicicli e deferenti; e nel cercare di creare un modello quanto più preciso possibile, ma soprattutto che non differisse dalle osservazioni, introdusse il concetto di equante, perfezionando l’ipotesi dell’eccentrico di Apollonio. Con questo “stratagemma” Tolomeo riuscì a non discostarsi troppo dai principi aristotelici di circolarità delle orbite e di costanza del moto: difatti, l’eccentricità fa apparire il moto degli astri non costante quando osservato dalla Terra, mentre in realtà risulta continuo. Fu anche con questo sistema che riuscì a giustificare tutti i moti dei pianeti, anche quelli retrogradi, rispetto alla volta celeste. Creò un catalogo stellare con 1028 stelle usando le carte di Ipparco con cui divise il cielo in costellazioni, tra le quali le 12 dello zodiaco, usando il metodo delle magnitudini stellari.

I popoli dell’America centrale

Anche nel centro America si svilupparono delle civiltà che raggiunsero una cultura e un grado di conoscenze assai elevati. La loro astronomia non diede contributi alle altre civiltà, rimanendo confinata nell’isolamento sino ai tempi moderni. Anch’essi sono famosi per la costruzione di templi e piramidi dedicati agli dei del cielo. Il loro culto era legato a Venere, identificato con la divinità nota come “serpente piumato”; proprio sui moti di questo pianeta svilupparono un preciso calendario astronomico, scoprendo in particolare che ogni 8 anni Venere compie 5 rivoluzioni sinodiche (di 584 giorni): sorprende ancor oggi la precisione degli almanacchi astronomici improntati sul ciclo di Venere con l’esiguo errore di un giorno in 6.000 anni. Il calendario era formato da 18 mesi di 20 giorni con 5 giorni addizionali.

I popoli dell’America Centrale riuscirono a prevedere con maggior veridicità di previsione la comparsa delle eclissi. Notevoli anche i progressi nelle previsioni del ciclo stagionale, dei solstizi e degli equinozi. I templi, perfettamente allineati con la posizione del Sole in determinati giorni dell’anno, sono un ottimo esempio di allineamento astronomico.

Il complesso di edifici di Uaxactún nel Guatemala presenta una piattaforma in cima ad una delle piramidi dalla quale, in occasione di equinozi e solstizi, è possibile osservare il Sole sorgere dietro lo spigolo di altri tre edifici perfettamente allineati.

Il Medioevo

Durante il Medioevo, nel mondo occidentale l’astronomia faceva parte del corso ordinario di studi (nel cosiddetto quadrivio): si vedano, ad esempio, le notevoli conoscenze astronomiche che esprime un poeta come Dante, nella Divina Commedia.

Nel XIII secolo, Guido Bonatti si attribuiva il merito di aver “individuato 700 stelle, delle quali, fino ad allora, non si aveva avuta ancora conoscenza”. Ciò indica un forte interesse per l’osservazione diretta e per il progresso delle conoscenze.

Dall’Islanda dell’XI secolo ci è giunto l’Oddatala di Oddi Helgason, l’opera di un contadino che, avvalendosi della navigazione vichinga come mezzo di orientamento, calcolò le varie posizioni del sole durante l’anno, così come le date esatte dei solstizi.

L’astronomia islamica

L’arrivo degli Arabi nel sud dell’Europa, in particolare in Spagna e in Sicilia, determinò il mantenimento di una fiorente cultura astronomica che avrebbe influenzato le future generazioni di intellettuali; basti pensare che buona parte dei nomi delle stelle (Deneb, Altair, Betelgeuse, Aldebaran, Rigel ecc.) e alcuni termini astronomici (Zenit, Nadir, almanacco, algoritmo, algebra, ecc.) hanno un’origine araba. Infine, bisogna ricordare l’introduzione del sistema di numerazione arabo (desunto dagli Indiani), ben più semplice di quello romano e ben più pratico.

Attorno al 638 il califfo ‘Omar ibn al-Khattāb oltre a creare una solida struttura amministrativa islamica, decretò la nascita di un calendario islamico che per convenzione faceva partire il conteggio degli anni dall’Egira di Maometto del 622.

Valenti astronomi hanno reso possibile il fiorire di questa cultura del cielo: da Yaqūb ibn Tāriq (noto per aver misurato la distanza e il diametro di Giove e Saturno), Muḥammad ibn Mūsā al-Khwārizmī (padre dell’algebra, formulò una teoria per la costruzione di meridiane e quadranti astronomici)[55], Habash al-Hasib al-Marwazi (perfezionò le misure e le dimensioni di Terra, Sole e Luna), al-Farghānī (latinizzato in Alfraganus), al-Hasan ibn al-Haytham (latinizzato in Alhazen), da al-Bīrūnī a Ibn Yūnus, da Abu l-Wafāʾ a ‘Omar Khayyām (la cui fama di poeta oscurò quella per cui fra i musulmani era assai più apprezzato, quella cioè di astronomo e di matematico). Abd al-Rahmān al-Sūfi fu il primo a catalogare la galassia di Andromeda, descrivendola come una “piccola nube” e a scoprire la Grande Nube di Magellano.

Al-Battani (latinizzato in Albategnius), attivo al Cairo, fu il più grande astronomo arabo, autore di misurazioni che migliorarono la conoscenza dell’inclinazione dell’asse terrestre; al-Zarqali, latinizzato in Arzachel, arabo di Cordova, fu autore delle celebri tavole planetarie note come Tavole toledane che, tuttavia, si rifacevano a tavole risalenti all’età persiana sasanide; l’andaluso Ibn Rushd, detto Averroè, criticò apertamente la teoria degli epicicli, sostenendo l’irrealtà dei cerchi eccentrici e dei deferenti assieme a tanti altri scienziati come Alhazen e al-Bīrūnī. Bisogna anche ricordare il fatto che furono gli scienziati arabi i sostenitori di ciò che oggi chiamiamo il metodo scientifico o galileiano di dimostrare la validità delle affermazioni scientifiche.

Il Cinquecento

Da Copernico a Galilei

Si può ben affermare che l’astronomia moderna cominci da Niccolò Copernico. Nella sua nuova visione, la Terra orbita intorno al Sole con moto circolare; il moto dei pianeti e le elongazioni di Mercurio e Venere venivano di conseguenza spiegati con estrema semplicità, senza dover ricorrere “all’artificio” degli epicicli e dei deferenti. La rivoluzione copernicana nasceva nel clima filosofico già inaugurato da Nicola Cusano, che contestando la tesi geocentrica aveva sostenuto come l’universo fosse privo di un centro e di una circonferenza assoluti.

Giordano Bruno non si limitò a sostenere una posizione eliocentrica, ma allargò a dismisura i confini del sistema tolemaico, allora limitato a un numero finito di orbite o sfere celesti visibili dalla Terra e ruotanti attorno a questa: per Bruno adesso il massimo orizzonte visibile dell’universo non costituiva più il suo limite estremo, perché oltre di esso occorreva ammettere, per mezzo della speculazione filosofica, la presenza di innumerevoli altri pianeti e cieli motori. Questi non sono più disposti in un ordine gerarchico a partire dalla prima Intelligenza motrice, ma ogni punto del cosmo, ogni corpo celeste diventa una sua diretta manifestazione:

Dove è numero infinito, ivi non è grado né ordine numerale […] Son, dunque, infiniti mobili e motori, li quali tutti se riducono a un principio passivo ed un principio attivo, come ogni numero se reduce all’unità; e l’infinito numero e l’unità coincideno […] Cossì non è un primo mobile, al quale con certo ordine succeda il secondo, in sino l’ultimo, o pur in infinito; ma tutti gli mobili sono equalmente prossimi e lontani al primo e dal primo ed universal motore. Giordano Bruno, De l’Infinito, Universo e Mondi, dialogo quinto

Tycho Brahe è considerato tra i più grandi osservatori del passato. All’età di 30 anni ottenne dal re di Danimarca la concessione dell’isolotto di Hveen, dove avrebbe costruito “Uraniborg”, l’osservatorio più importante dell’epoca. A seguito del passaggio di due comete nel 1577 e nel 1583 dedusse che questi corpi, tanto variabili, si trovassero oltre l’orbita lunare; cominciava quindi a cadere l’idea delle sfere associate al Sole, alla Luna e ai pianeti, come pensava Aristotele, così come cominciava a cadere l’idea dell’immutabilità del cielo stellato. La fama di Brahe non è legata solo a queste considerazioni, ma soprattutto alle precise osservazioni effettuate con strumenti da lui stesso realizzati. Brahe determinò con precisione la lunghezza dell’anno terrestre, riscontrando l’accumulo di errori dal passato, tanto da rendere inevitabile la riforma del calendario. Riuscì poi a stabilire con una precisione mai raggiunta: l’obliquità dell’eclittica, l’eccentricità dell’orbita terrestre, l’inclinazione del piano dell’orbita lunare e l’esatta misura della retrogradazione dei nodi, scoprendo la non costanza del moto. Infine, compilò il primo catalogo moderno di posizioni stellari con oltre 1000 stelle.

Giovanni Keplero nel 1600 andò a Praga a lavorare come assistente di Brahe, e due anni dopo venne nominato suo successore. Utilizzò le osservazioni di Brahe e in particolare, studiando l’orbita di Marte, si accorse dell’esistenza di incongruenze tra teoria e pratica; provando e riprovando, Keplero capì che per limitare gli errori di calcolo l’unico modello che potesse spiegare il moto fosse quello ellittico, con il Sole in uno dei fuochi. Con tale deduzione Keplero gettò le basi della meccanica celeste; le tre leggi di Keplero infatti, furono una vera e propria rivoluzione, abbattendo l’ultima barriera ideologica alla radicata convinzione dei moti uniformi e circolari delle orbite dei pianeti.

Nel 1609, Galileo Galilei venne a sapere dell’invenzione del telescopio; dopo essersi documentato, ne costruì uno migliorandone le prestazioni e gli ingrandimenti. Quando lo puntò verso il cielo, le sue osservazioni rivelarono un universo mai visto prima: la Luna aveva una superficie scabrosa, Giove era circondato da quattro satelliti che gli ruotavano intorno, la Via Lattea era risolta in milioni di stelle, Saturno mostrava uno strano aspetto, mentre Venere aveva le fasi come la Luna. Tuttavia, nel 1632, dopo aver pubblicato il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, nel quale affermava apertamente le sue idee eliocentriche, Galileo fu costretto dalla Chiesa ad abiurare.

Il Seicento

L’astronomia matematica: Newton

Già dal periodo universitario Isaac Newton si occupò di studi matematici, di osservazioni astronomiche, fisiche e chimiche. Nel 1686 pubblicò la sua famosa opera Phylosophiæ naturalis principia mathematica, che contiene anche la legge di gravitazione universale, vari studi sul moto dei fluidi e le leggi dell’urto; a lui si deve anche il calcolo infinitesimale, le funzioni di una variabile e la costruzione di tangenti su curve piane. In ottica espose la teoria della scomposizione della luce bianca secondo la famosa esperienza del prisma, fornendo anche spiegazioni sul fenomeno dell’arcobaleno. Studiò anche la forma della Terra, l’effetto delle perturbazioni dovute all’azione gravitazionale del Sole e quindi il fenomeno delle maree, da cui risalì anche alla valutazione della massa della Luna. Interpretò anche la precessione degli equinozi partendo dalla forma irregolare della Terra, e valutò lo schiacciamento polare conoscendo la velocità di rotazione e le dimensioni del pianeta.

I telescopi migliorano: le nuove scoperte

Christian Huygens si dedicò a studi di fisica e meccanica ottenendo delle scoperte fondamentali. A lui si deve la prima ipotesi della conservazione dell’energia, introducendo la “forza viva” che successivamente sarà chiamata “energia cinetica”, applicata concettualmente anche alla possibilità di spiegare i fenomeni naturali in termini di cambiamenti di velocità e posizione di atomi microscopici. Fu il primo ad ipotizzare una teoria ondulatoria della luce secondo piccole esperienze, entrando così in polemica con Newton, il quale sosteneva la teoria corpuscolare, polemica che sarebbe terminata solo con la moderna concezione della doppia natura della luce: sia ondulatoria che corpuscolare. Si occupò anche di ottica, migliorando notevolmente gli strumenti astronomici, costruendo un oculare adatto a ridurre l’aberrazione cromatica. Queste migliorie ottiche gli consentirono di scoprire gli anelli di Saturno e la sua luna più grande, Titano (nel 1665).

Giovanni Domenico Cassini scoprì nel 1665 una breccia sugli anelli di Saturno, la cosiddetta divisione di Cassini. Successivamente scoprì alcuni satelliti: Giapeto (1671), Rea (1672), Dione e Teti (1684)[71]. Determinò anche l’unità astronomica con un errore inferiore al 7,5%.

Ole Rømer collaborò con Cassini all’introduzione del micrometro filare ed ebbe anche la prima idea di montatura equatoriale. Il suo nome però, è legato indubbiamente alla prima vera misurazione della velocità della luce: utilizzando le effemeridi di Giove, notò come persistesse nel calcolo teorico un certo tempo tra il fenomeno calcolato (eclissi o transito del satellite) e la realtà; da ciò dedusse che, data la notevole distanza tra la Terra e Giove, la luce impiegava un determinato tempo per arrivare sino alla Terra, contraddicendo le convinzioni dell’epoca sull’istantaneità dei fenomeni luminosi. Egli giunse a stabilire che la luce viaggiava ad una velocità di 225 000 km/s, contro i 300 000 reali.

Edmund Halley nel 1678 fu nominato membro della Royal Society. Nel 1682 osservò la cometa che prenderà il suo nome, supponendo che compisse una rivoluzione completa lungo la sua orbita ogni 76 anni. Tramite i calcoli predisse il successivo passaggio che avvenne puntuale, ma che egli non vide a causa della sua morte. Nel 1718 mise in evidenza i moti propri delle stelle, dimostrando che almeno tre di esse, Sirio, Procione e Arturo, avevano cambiato posizione dai tempi di Tolomeo; scoprì inoltre l’ammasso dell’Ercole.

Il nome di James Bradley è legato alla scoperta dell’aberrazione della luce, la quale aprì la strada alle future misure di parallassi stellari. Osservando la stella γ Draconis, sospettata di mutare posizione, scoprì uno spostamento opposto a quello dovuto. Annotando tutti i dati necessari quali temperatura e comportamento del telescopio, annunciò nel 1729 la scoperta dell’aberrazione. Egli tuttavia notò che, calcolando gli effetti dell’aberrazione, resiste uno scostamento fisso di 2″ d’arco, il quale indicava l’esistenza di un altro fenomeno: il fenomeno in questione era la nutazione, che determina uno spostamento delle posizioni stellari ogni 18,6 anni.

Il Settecento

Il catalogo di Messier

Charles Messier, astronomo francese, pubblicò nel 1774 il celebre catalogo che porta il suo nome. Accanito cacciatore di comete, ne scoprì una quindicina e ne osservò molte altre. Si appassionò nel catalogare gli oggetti del cielo inserendo anche una breve descrizione. Usò un modesto riflettore da 19 cm installato presso l’Hotel de Cluny al centro di Parigi. Tra le sue scorribande celesti scoprì e catalogò diversi oggetti famosi tra nebulose, galassie e ammassi, giungendo al numero di 103 oggetti; in seguito, altri astronomi ne aggiunsero altri facendo arrivare il catalogo a 110. Il catalogo di Messier, per quanto innovativo, presentava delle lacune osservative causate dalla modestia dello strumento usato. Herschel infatti dopo quasi un secolo risolse in stelle oggetti che Messier considerava semplici nebulosità.

William Herschel

Nel 1781, William Herschel scoprì Urano utilizzando un modesto telescopio da 18 cm. Questa scoperta, che lo fece divenire astronomo del Re, fu totalmente casuale: facendo conteggi stellari per determinare la forma della galassia, notò la presenza di un astro vicino alla stella 1 Geminorum; egli intuì che ciò che aveva all’oculare non era una stella, ma supponeva piuttosto che fosse una cometa, perché aumentando gli ingrandimenti aveva notato un dischetto circolare. Fece così una comunicazione ufficiale alla Royal Society, la quale constatò che egli aveva invece scoperto un pianeta. Nel 1787 scoprì anche due satelliti di Urano, Titania e Oberon, e fu il primo ad osservare anche gli anelli di Urano, anche se l’effetto fu interpretato come un difetto d’ottica; gli anelli infatti verranno confermati solo nel 1977. Nel 1789, con un telescopio da 1,2 m di diametro, osservò per primo due satelliti interni all’anello di Saturno, Encelado e Mimas. Scoprì il sistema doppio ξ Bootis, la doppia Algieba (γ Leonis), l’ammasso globulare NGC 2419 nella costellazione della Lince. Per ottenere questi risultati eccellenti, Herschel aveva costruito uno dei telescopi più grandi dell’epoca, un newtoniano di ben 1,22 m di diametro e 12,20 m di lunghezza focale. Per costruirlo impiegò tre anni di lavoro dal 1786 al 1789, affinando anche le tecniche di lavorazione dei telescopi e delle ottiche. Inoltre studiò la forma visibile della galassia, tracciandone un disegno completo e intuendone la forma lenticolare.

La meccanica celeste

Giuseppe Luigi Lagrange, oltre ai contributi alla matematica analitica e al calcolo delle funzioni, sviluppò un modello di meccanica celeste molto più complesso e preciso. Nel 1773 notò che era possibile esprimere la legge di Newton in termini di azione di un campo di forza che riempie lo spazio in modo continuo. In questo modo egli teneva ormai in considerazione gli effetti delle perturbazioni causate da altri pianeti su diversi valori come: inclinazione dell’orbita, direzione e lunghezza dell’asse maggiore, eccentricità dell’ellisse. Risultava così che i corpi celesti, pur mantenendo la loro orbita stabilita nel tempo, subivano molteplici influenze da parte degli altri pianeti. Altro valido contributo alla meccanica celeste fu portato da Pierre Simon Laplace, che scoprì la ciclicità del moto di Giove e Saturno, ciclicità stimata in circa 900 anni, per cui i pianeti appaiono accelerare o decelerare reciprocamente. Tale variazione era già nota anche a Lagrange, ma solo Laplace ricondusse la variazione a un moto ciclico, confermando l’idea che il sistema solare presenta dei moti non casuali anche su grande scala temporale.

Joseph Von Fraunhofer e Wilhelm Bessel

Joseph Von Fraunhofer fu l’artefice di una piccola rivoluzione strumentale. Nel 1812 cominciò a studiare un metodo per ottenere lastre di vetro prive di aberrazioni dell’immagine. Per raggiungere lo scopo, aveva bisogno di lavorare su ogni singolo colore prodotto dalle aberrazioni. Egli sfruttò allora il metodo del prisma con cui scompose la luce solare, ma nella scomposizione dei colori notò che lo spettro prodotto manteneva diverse righe nere del tutto indipendenti dal vetro usato: aveva scoperto le righe di Fraunhofer. Le righe nere infatti non dipendevano dall’ottica, ma dalla luce solare. Esse in realtà erano già state osservate da altri ottici, ma Fraunhofer fu il primo che ne annotò la posizione secondo la denominazione delle lettere dell’alfabeto; sarà successivamente Kirchhoff ad interpretare correttamente l’origine delle strane righe nere. Fraunhofer ebbe anche per primo l’intuizione di usare un reticolo di diffrazione, al posto del prisma, per la scomposizione della luce. Con questo mezzo l’immagine degli spettri risultava più precisa di quella ottenibile col prisma, introducendo così un nuovo modello di spettroscopio[85]. Perfezionò poi uno strumento che avrebbe premesso ulteriori scoperte astronomiche, l’eliometro, dapprima usato per la misura del diametro solare; a seguito dei perfezionamenti di Fraunhofer, Bessel riuscì ad ottenere la misura della prima parallasse stellare. Friedrich Wilhelm Bessel fu uno dei più rappresentativi astronomi del XIX secolo. Nel 1838, grazie all’introduzione dell’eliometro di Fraunhofer, Bessel riuscì ad osservare la prima parallasse stellare e dunque a determinare la distanza della stella. Per la prima misura Bessel scelse la stella 61 Cygni, dotata di maggior moto proprio rispetto alle altre; dopo sei mesi di osservazioni riscontrò una parallasse che determinava una distanza di 10,7 anni luce, valore assai preciso anche per i nostri giorni. Nel 1844, dopo decenni di osservazioni, Bessel annunciò che Sirio ruotava attorno al baricentro di un sistema, ossia che Sirio comprendeva un oggetto invisibile. Queste scoperte aprivano la strada allo studio di posizione degli astri, nonché alla consapevolezza che l’universo visibile mostrava dimensioni enormi, ben oltre le aspettative iniziali.

La formazione del Sistema Solare

Le conoscenze oramai raggiunte nel campo della meccanica celeste permisero lo sviluppo di teorie legate alla formazione del sistema solare partendo dalla prima teoria esposta: quella dei vortici di Cartesio[87]. Georges-Louis Leclerc avanzò l’ipotesi che il sistema solare fosse nato dal Sole a seguito del passaggio ravvicinato di una stella: il corpo avrebbe estratto materia dal Sole creando i corpi planetari. Questa idea venne subito definita come teoria catastrofica.

Nel 1755, il filosofo tedesco Kant e successivamente nel 1796 in modo indipendente anche Laplace, esposero una teoria nuova definita poi come teoria di Kant-Laplace. La teoria prevedeva la nascita del sistema solare da una nube di gas, la quale, posta in rotazione per non collassare su sé stessa, avrebbe formato al centro la stella che conosciamo, il Sole, mentre all’esterno il gas si sarebbe aggregato formando i proto-pianeti; nel tempo il Sole si sarebbe acceso come stella, e spazzata via la presenza di nubi e polveri ricadute poi sulle superfici planetarie, i cosiddetti proto-pianeti sarebbero divenuti quelli che conosciamo ora. Questa teoria, tuttora accreditata, spiega ad esempio il perché i pianeti gassosi si siano mantenuti all’esterno del sistema, nonché la disposizione uniforme sul piano dell’eclittica. Essa però mantiene delle incongruenze, ad esempio non si sa per quale motivo il materiale nebulare si sarebbe dovuto aggregare.

L’Ottocento

La scoperta dei primi asteroidi

Il primo gennaio 1801, Giuseppe Piazzi da Palermo scoprì un oggetto celeste che a prima vista sembrava una cometa. Divulgata la scoperta, Gauss cominciò a osservare il corpo per determinarne i parametri orbitali, ma l’oggetto passò dietro il Sole; fu Olbers che lo ritrovò nel 1802. Valutata quindi l’orbita e la distanza, William Herschel definì l’oggetto “asteroide”, in quanto, a causa del piccolo diametro, non riusciva a “risolverne” il disco, dando quindi un aspetto “quasi stellare”. Piazzi lo battezzò col nome di Cerere Ferdinandea, poi modificato in Cerere. Inizialmente Cerere fu creduto un nuovo pianeta, anche perché si trovava esattamente alla distanza prevista dalla legge empirica di Titius-Bode.

Nel giro di pochi anni, Olbers scoprì Pallade e Vesta; Giunone fu scoperto nello stesso periodo da Karl Ludwig Harding. Dopo i primi quattro tuttavia, si dovette aspettare circa quarant’anni per vedere una nuova scoperta (Astrea, scoperto da Karl Ludwig Hencke).

Nonostante il continuo incrementarsi di tali scoperte, gli asteroidi furono considerati pianeti fino a circa il 1851, quando vennero riclassificati come “corpi minori” del sistema solare, ordinati in base ad un numero progressivo e non più in base alla distanza dal Sole (come i pianeti).

Il Sole e il ciclo delle macchie

Nel 1848, Johann Rudolf Wolf introdusse un metodo di misura giornaliero delle macchie solari, detto anche “numero di Wolf”; questo valore tiene conto del numero di gruppi di macchie presenti e di quello singolo, seguito da un fattore K di valutazione delle condizioni di osservazione. Subito dopo l’introduzione di questo metodo, è stato possibile calcolare l’andamento ciclico dell’attività solare dal 1700 ad oggi, scoprendo l’esistenza di svariati cicli di attività solare, il più evidente dei quali è quello di 11,04 anni.

Richard Christopher Carrington ricavò la legge di rotazione differenziale del Sole, e definì la “migrazione” delle macchie verso l’equatore nel corso del ciclo. La migrazione in latitudine è stata scoperta disponendo tutte le macchie osservate in un grafico a forma di farfalla.

Il primo settembre 1859, Carrington osservò una nuova classe di fenomeni solari: i brillamenti. Egli vide una specie di lampo che saettava tra due macchie con una durata di cinque minuti; poco dopo avvenne una tempesta magnetica, gli aghi delle bussole impazzirono e apparve il giorno dopo un’aurora boreale. Questo fenomeno si ripete tutte le volte che sul Sole avviene un brillamento

La movimentata scoperta di Nettuno

Il 23 settembre del 1846 si ebbe la scoperta di Nettuno. Le vicende legate alla sua scoperta furono piuttosto complesse: nel 1821 un collaboratore di Laplace, Alexis Bouvard, pubblicò degli effemeridi di Urano, ma nell’introduzione al libro fece notare che vi erano delle discrepanze di posizione del pianeta; egli pensò subito all’idea di un corpo perturbatore. Nel 1823, Bessel iniziò una serie di osservazioni alla ricerca del pianeta, confrontando i dati di Bouvard, senza però ottenere risultati. George Biddell Airy, nominato direttore dell’osservatorio di Cambridge, rilevò anch’egli queste discrepanze tra calcoli e osservazione, presentando un rapporto ufficiale. John Couch Adams, dopo alcuni mesi di lavoro, concluse che le perturbazioni erano causate da un pianeta; dopo due anni di analisi delle osservazioni indicò in quale posizione potesse trovarsi il nuovo corpo. Anche Urbain Le Verrier, dopo aver ottenuto le stesse conclusioni, sollecitò i colleghi francesi alla ricerca, ma non avendo avuto grandi consensi si rivolse successivamente, presso l’Osservatorio di Berlino, a Johann Gottfried Galle.  Galle individuò alla prima notte di osservazione il nuovo pianeta dopo ben 25 anni di tentativi. La scoperta fu il trionfo della meccanica celeste e dei calcoli matematici.

Lo spettro degli elementi chimici

Robert Wilhelm Bunsen si dedicò ad una serie di esperimenti sull’azione chimica della luce sfruttando la sua celebre invenzione: il becco Bunsen (un bruciatore a gas regolabile). Egli cercò di identificare le sostanze chimiche mediante la colorazione della fiamma posta a contatto con le sostanze. Dapprima provò a identificare i tenui colori con dei filtri colorati, senza però ottenere una misura precisa; successivamente, l’amico Gustav Robert Kirchhoff suggerì l’idea di osservare la fiamma attraverso uno spettroscopio. L’idea era talmente valida che entrambi si misero a studiarne gli effetti con le diverse sostanze, scoprendo la correlazione tra sostanze e righe di Fraunhofer. A riprova del reale collegamento tra spettro ed elemento chimico, effettuarono altri esperimenti invertendo la condizione, e notando quindi come le stesse righe venissero prodotte, in emissione o in assorbimento, in base alle condizioni del materiale.

I primi passi della spettroscopia

Angelo Secchi proseguì l’opera appena avviata da Kirchhoff classificando le stelle in base al loro spettro. Egli infatti era convinto che su grande scala le stelle presentassero una logica suddivisione. Sfruttando uno spettrografo, Secchi distinse le stelle in quattro categorie: Tipo I, II, III e IV. La divisione spettrale divenne ancor più importante quando si scoprì il legame con la temperatura superficiale. Secchi ebbe così modo di compilare il primo catalogo spettrale della storia dell’astronomia.

William Huggins, dopo aver letto il rapporto di Kirchhoff sull’identificazione degli elementi chimici tramite lo spettro, decise di compiere ricerche in questo campo. Usando appunto uno spettrografo, iniziò la sua ricerca su altri oggetti del cielo: sulle comete individuò la presenza di idrocarburi gassosi, e nel 1866 puntò il suo strumento su una nova nella Corona Boreale, accorgendosi di una immane eruzione di idrogeno e altri gas. In questo modo avviò lo studio sui meccanismi delle nove, in quanto si pensava ancora fossero delle stelle nuove, o oggetti in rapido movimento.

Joseph Lockyer, il fondatore della rivista Nature, scoprì che sul Sole apparivano le righe di un elemento sconosciuto, chiamato poi elio. La sua fu una scoperta fondamentale per l’astronomia, poiché l’elio è una sostanza chiave nel processo evolutivo delle stelle. Nel 1890, durante un viaggio in Grecia, osservò l’orientamento dei templi greci e constatò che gli assi erano allineati sulla direzione del sorgere e tramontare del Sole. Suppose allora che anche i templi egizi potevano avere degli orientamenti. Intraprese così lo studio di alcuni monumenti, riscontrando che sette templi egizi erano orientati verso il sorgere di Sirio. Le scoperte di Lockyer furono subito apprezzate. Egli trovò poi l’orientamento del tempio di Ammon-Ra a Karnak, e successivamente estese le sue ricerche a Stonehenge, riuscendo a stabilire la data della loro fondazione.

All’asta alcuni manoscritti inediti dell’ultimo dei maghi

Quattro pagine scritte dal grande fisico e matematico Isaac Newton (1642 – 1727) saranno vendute in un’asta on line della Casa University Archives di Westport nello stato del Connecticut, (USA), il prossimo 6 gennaio. Nel manoscritto (inedito) il grande fisico cercava l’ispirazione per i suoi famosi esperimenti leggendo la Kabbalah, i libri dei primi filosofi cristiani e i testi della Bibbia. Newton era alla ricerca dei “collegamenti” tra la metafisica e la fisica volendo così unire il mondo astratto con il mondo concreto. Il valore dei manoscritti va da 130.000 a 160.000 euro. (La Nazione 28 dicembre 2020)

Insomma come disse John Maynard Keynes dell’illustre scienziato Newton in una conferenza del 1942 al Royal Society Club: “Non fu Newton il primo scienziato dell’età della Regione, piuttosto fu l’ultimo dei Maghi, l’ultimo dei Babilonesi e dei Sumeri”.

Alla morte di Newton infatti la Royal Society rifiutò di acquistare i suoi manoscritti di argomento religioso e li restituì alla famiglia con la raccomandazione di non mostrarli ad alcuno. Una parte dei manoscritti fu acquistata da Keynes, il grande economista.. Egli considerando la mole dei manoscritti alchemici, dette una definizione che fece scandalo e fu all’origine di molte controversie: lo chiamò appunto non il primo degli scienziati ma “l’ultimo dei maghi”. Quelle carte contenevano molta matematica, molta fisica, molta ottica, ma una rilevante parte di esse era dedicata a temi di alchimia e di cronologia universale, alla interpretazione delle Scritture e alle controversie teologiche.

La concezione pitagorica dell’universo

Pitagora (Samo, tra il 580 a.C. e il 570 a.C. – Metaponto, 495 a.C. circa) è stato un filosofo greco. Fu matematico, taumaturgo, astronomo, scienziato, politico e fondatore a Crotone di una delle più importanti scuole di pensiero dell’umanità, che prese da lui stesso il nome: la Scuola pitagorica. Il suo pensiero ha avuto enorme importanza per lo sviluppo della scienza occidentale, perché ha intuito per primo l’efficacia della matematica per descrivere il mondo. Le sue dottrine segnerebbero la nascita di una riflessione improntata all’amore per la conoscenza. La scuola a lui intitolata fu il crogiolo nel cui ambito si svilupparono molte conoscenze, in particolare quelle matematiche e le sue applicazioni come il noto teorema di Pitagora. La concezione pitagorica dell’universo mette al centro di questo non la Terra, come in altre cosmografie antiche, come ad esempio Anassimandro, ma il Fuoco: il nostro pianeta è solo uno dei corpi celesti che girano intorno al Fuoco. Gli altri astri erranti sono: l’Antiterra, che precede la Terra nella sua vicinanza al Fuoco in posizione all’esatto opposto della Terra e, dopo il nostro pianeta, seguono la Luna, il Sole e i cinque pianeti (Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno), tutti astri che unitamente al Fuoco sono contenuti all’interno dell’universo sferico delle Stelle fisse. Secondo Aristotele, questa concezione pitagorica, decisamente non geocentrica, non è frutto di osservazioni empiriche quanto piuttosto si basa sulla loro valutazione della rilevanza degli enti: il Fuoco è il più importante anche rispetto alla Terra quindi il luogo che gli spetta è al centro del cosmo per questa ragione lo indicano anche come la “custodia di Zeus”. Secondo Filolao il Sole è di natura vitrea e quindi questo astro si limita a riflettere luce e calore che sono propri del Fuoco.

“Scienza” e musica

Riguardo alle elaborazioni scientifiche attribuite a Pitagora, gli storici della filosofia non sono in grado di averne certezza. Le dottrine astronomiche sono sicuramente state elaborate dai suoi discepoli nella seconda metà del V secolo a.C. Il teorema per cui il filosofo è famoso era già noto agli antichi Babilonesi, ma alcune testimonianze, tra cui Proclo, riferiscono che Pitagora ne avrebbe intuito la validità. Tale “teorema” è inserito alla proposizione 47 del I libro degli Elementi di Euclide. L’attribuzione a Pitagora di detto “teorema” la si deve tuttavia esclusivamente al commento di Proclo che, a sua volta, si rifaceva alla testimonianza di un oscuro Apollodoro il quale avrebbe sostenuto che Pitagora, dopo la scoperta del teorema avrebbe sacrificato un bue. Anche se è probabile che il “saggio” di Samo si sia interessato ad argomenti matematici e di filosofia della natura occorre ricordare che «fino a Platone e Aristotele inclusi, non esiste ombra di prova diretta che permetta di qualificare Pitagora come filosofo della natura o come matematico». Di contro, si deve a Pitagora l’aver indicato come sostanza primigenia (archè) l’armonia, determinata dal rapporto tra i numeri e le note musicali, da cui deriva l’invenzione della scala musicale. Pitagora avrebbe tradotto sperimentalmente la sua intuizione costruendo un monocordo: tese una corda fra due ponticelli e ricavò l’ottava ponendo una stanghetta esattamente al centro della corda (1:2). Poi ne pose un’altra a 2/3 della lunghezza della corda, stabilendo così l’intervallo di 5ª. Sistemando a 3/4 un’altra stanghetta trovò l’intervallo di 4ª. La distanza, in termini di altezza, fra la 4ª e la 5ª la chiamò tono. La scala musicale basata su questi intervalli, che nel Medioevo era attribuita allo stesso Pitagora, ebbe una  importanza teorica, al di là della pratica musicale: Platone, nel dialogo Timeo, la descrisse come fondamento numerico dell’anima del mondo.

De l’infinito, universo e mondi

Filippo Bruno, noto con il nome di Giordano Bruno (Nola, 1548 – Roma, 17 febbraio 1600), è stato un filosofo, scrittore e frate domenicano italiano vissuto nel XVI secolo. Il suo pensiero, inquadrabile nel naturalismo rinascimentale, fondeva le più diverse tradizioni filosofiche — materialismo antico, averroismo, copernicanesimo, lullismo, scotismo, neoplatonismo, ermetismo, mnemotecnica, influssi ebraici e cabalistici — ma ruotava intorno a un’unica idea: l’infinito, inteso come l’universo infinito, effetto di un Dio infinito, fatto di infiniti mondi, da amare infinitamente.

Nel De l’infinito, universo e mondi Giordano Bruno riprende e arricchisce temi già affrontati nei dialoghi precedenti: la necessità di un accordo tra filosofi e teologi, perché «la fede si richiede per l’istituzione di rozzi popoli che denno esser governati»; l’infinità dell’universo e l’esistenza di mondi infiniti; la mancanza di un centro in un universo infinito, che comporta un’ulteriore conseguenza: la scomparsa dell’antico, ipotizzato ordine gerarchico, la «vanissima fantasia» che riteneva che al centro vi fosse il «corpo più denso e crasso» e si ascendesse ai corpi più fini e divini. La concezione aristotelica è difesa ancora da quei dottori (i pedanti) che hanno fede nella «fama de gli autori che gli son stati messi nelle mani», ma i filosofi moderni, che non hanno interesse a dipendere da quello che dicono gli altri e pensano con la loro testa, si sbarazzano di queste anticaglie e con passo più sicuro procedono verso la verità. Chiaramente un universo eterno, infinitamente esteso, composto di un numero infinito di sistemi solari simili al nostro e sprovvisto di centro sottrae alla Terra, e di conseguenza all’uomo, quel ruolo privilegiato che Terra e uomo hanno nelle religioni giudaico-cristiane all’interno del modello della creazione, creazione che agli occhi del filosofo non ha più senso, perché come già aveva concluso nei due dialoghi precedenti, l’universo è assimilabile a un organismo vivente, dove la vita è insita in una materia infinita che perennemente muta. Il copernicanesimo, per Bruno, rappresenta la “vera” concezione dell’universo, meglio, l’effettiva descrizione dei moti celesti. Nel Dialogo primo del De l’infinito, universo e mondi, il nolano spiega che l’universo è infinito perché tale è la sua Causa che coincide con Dio. Filoteo, portavoce dell’autore, afferma: «Qual raggione vuole che vogliamo credere che l’agente che può fare un buono infinito lo fa finito? e se lo fa finito, perché doviamo noi credere che possa farlo infinito, essendo in lui il possere et il fare tutto uno? Perché è inmutabile, non ha contingenzia nell’operazione, né nella efficacia, ma da determinata e certa efficacia depende determinato e certo effetto inmutabilmente: onde non può essere altro che quello che è; non può essere tale quale non è; non può posser altro che quel che può; non può voler altro che quel che vuole; e necessariamente non può far altro che quel che fa: atteso che l’aver potenza distinta da l’atto conviene solamente a cose mutabili». Essendo Dio infinitamente potente, dunque, il suo atto esplicativo deve esserlo altrettanto. In Dio coincidono libertà e necessità, volontà e potenza (o capacità); di conseguenza, non è credibile che all’atto della creazione Egli abbia posto un limite a sé stesso. Bisogna tener presente che «Bruno opera una netta distinzione tra l’universo e i mondi. Parlare di un sistema del mondo non vuol dire, nella sua visione del cosmo, parlare di un sistema dell’universo. L’astronomia è legittima e possibile come scienza del mondo che cade nell’ambito della nostra percezione sensibile. Ma, al di là di esso, si estende un universo infinito che contiene quei “grandi animali” che chiamiamo astri, che racchiude una pluralità infinita di mondi. Quell’universo non ha dimensioni né misura, non ha forma né figura. Di esso, che è insieme uniforme e senza forma, che non è né armonico né ordinato, non può in alcun modo darsi un sistema».

Il moto del Sole e dei pianeti secondo Tolomeo

L’Almagesto è l’importante opera astronomica scritta intorno al 150 d.C. da Claudio Tolomeo che per più di mille anni costituì la base delle conoscenze astronomiche in Europa e nel mondo islamico Il titolo originale greco era Mathematiké sýntaxis (Μαϑηματικὴ σύνταξις, ossia “Trattato matematico”) o Megále sýntaxis (“Grande trattato”); il nome attuale deriva dall’arabo al-Magisṭī, a sua volta adattamento della parola greca Μεγίστη, “Megíste” (che significa “grandissima”), con cui era generalmente indicata l’opera.

Contenuto

Dopo un’introduzione di carattere filosofico, in cui, polemizzando contro teorie diverse, si argomenta a favore dell’immobilità della Terra, il nucleo centrale del trattato è costituito dalla descrizione matematica del moto del Sole, della Luna e dei cinque pianeti allora conosciuti. Per il moto di ciascun astro è sviluppata una particolare teoria, in grado di descrivere e prevedere con notevole precisione i moti osservabili. Per ottenere questo risultato Tolomeo combina l’ingrediente essenziale, costituito dalla considerazione di moti circolari uniformi, con tre possibili varianti (usate o meno in modo diverso per ciascun astro): eccentrici: ossia moti circolari con orbite centrate non nella Terra ma in un punto diverso. equanti: a volte il moto circolare non è uniforme, ma ha velocità angolare costante rispetto ad un punto equante diverso dal centro dell’orbita; epicicli: il moto circolare può avvenire non intorno alla Terra, ma intorno ad un punto che a sua volta percorre un moto circolare intorno alla Terra.

Tolomeo è interessato solo alle coordinate angolari degli astri e non alle variazioni (all’epoca difficilmente misurabili) delle loro distanze dall’osservatore. Egli non compie quindi alcun tentativo di spiegare le variazioni di luminosità dei pianeti.

Il trattato sviluppa anche argomenti di geometria e di trigonometria preliminari alla trattazione astronomica vera e propria. In particolare si spiega come costruire una tavola delle corde (cioè della funzione trigonometrica allora usata).

Il catalogo stellare

Una sezione è dedicata ad un catalogo delle stelle fisse, che sono classificate in base alla loro luminosità. Si ritiene che il catalogo stellare sia basato su un precedente catalogo compilato da Ipparco.

L’Almagesto cita spesso osservazioni e idee teoriche di scienziati più antichi, costituendo un’importante fonte (anche se tutt’altro che esauriente) sulla astronomia ellenistica che era stata sviluppata secoli prima, della quale non ci sono rimaste opere.

Le prime traduzioni in arabo furono fatte nel IX secolo, una delle quali fu patrocinata dal califfo al-Maʾmūn. A quei tempi, in Europa l’opera di Tolomeo non era conosciuta. L’Europa occidentale riscoprì Tolomeo soprattutto attraverso le traduzioni arabe. Una traduzione dell’Almagesto basata direttamente sul testo greco fu eseguita in Sicilia intorno al 1160, ma ebbe una scarsa diffusione e di essa non si conservano d’altronde più tracce. Una quindicina d’anni dopo Gherardo da Cremona tradusse il testo dall’arabo e la sua versione (che in diversi punti era inesatta) ebbe un successo molto maggiore. Le traduzioni in latino non portarono a una rapida comprensione della teoria tolemaica da parte della cultura europea, che era impreparata allo studio di un testo astronomico così complesso. L’assimilazione dell’astronomia tolemaica richiese alcuni secoli: due tappe importanti di questo lento processo furono la pubblicazione della Theorica planetarum di Campano da Novara, pubblicata intorno al 1262, e la costruzione di un modello meccanico del sistema tolemaico da parte di Giovanni Dondi nel secolo successivo.

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