IL TELESCOPIO
DI GALILEO
Breve storia dello strumento
che ha rivelato il cielo
e rivoltato il mondo
Le lenti e la loro storia
• Le lenti erano note già nell’antica Grecia
• Rozze e imperfette, erano usate più come strumenti
ustori che per migliorare la visione
• L’ottica era una scienza importante: se ne
occuparono Euclide, Aristotele, Lucrezio, Erone,
Tolomeo; ma il problema era più filosofico (teoria
della visione) che geometrico-scientifico.
Classificazione delle lenti
Le prime lenti sono tutte di tipo biconvesso
o piano-convesso, molto più facili da realizzare di
quelle concave.
L’ottica degli arabi
I primi a ottenere risultati corretti in ottica geometrica furono gli arabi, e
In particolare Ibn-Al-Haytham (o Alhazen, 965 - 1039) che scoprì le leggi
della rifrazione, cioè del cambiamento di direzione di un raggio luminoso
all’interno di una lente.
In Europa, i primi a studiare le proprietà ottiche delle lenti furono Robert
Grosseteste (1175 – 1253), Ruggero Bacone (1124 – 1194) ed Erazm
Ciolek (Witelo o Vitellione, 1230? – 1285?), ma si trattava di studi qualitativi
su lenti singole.
«Se un uomo guarda le lettere o altre cose minute per mezzo di
un cristallo o di un vetro sovrapposto alle lettere, e sia minore
della sfera la parte la cui convessità è rivolta verso l’occhio, vedrà
le lettere molto meglio e gli appariranno maggiori. E perciò questo
strumento è utile ai vecchi e a quelli che hanno la vista debole,
perché essi possono vedere la lettera, per quanto piccola, di
sufficiente grandezza».
(R.Bacone, Opus Maius, 1268)
Vedere in grande
La lente convergente può essere usata in
due diverse modalità:
1) Per ingrandire gli oggetti vicini
2) Per focalizzare un’immagine
esattamente sulla retina dell’occhio
Un aiutino alla vista
• Non sempre l’occhio umano riesce a focalizzare le immagini nel
punto giusto, cioè sulla retina.
• Quando l’occhio invecchia, il
cristallino non riesce più a
contrarsi a sufficienza e
l’immagine si forma oltre la
retina (ipermetropia o
presbiopia).
• Ma anche le persone giovani
possono soffrire di miopia, che
avviene quando il cristallino
focalizza l’immagine in un punto
davanti alla retina.
Le lenti convergenti e divergenti possono aiutare la visione, modificando
la direzione dei raggi luminosi che entrano nell’occhio in modo che il
cristallino li possa focalizzare esattamente sui recettori della retina.
Due lenti sono meglio di una
• I primi occhiali nacquero
probabilmente in Italia, a Venezia o
a Firenze, attorno al 1280, e
cominciarono a essere rappresentati
nelle opere d’arte. Sono nati
certamente per caso, forse per la
grande produzione di dischi di vetro
da piombare nelle vetrate di moda
all’epoca. La parola “lente” o
“lenticchia” tradisce l’origine
popolare, artigiana; a Venezia si
chiamavano roidi da ogli. Erano
distinti in “occhiali da giovani” e
“occhiali da vecchi”. Francesco
Petrarca dichiara candidamente che
dopo i sessant’anni ne faceva uso.
Tommaso da Modena, affreschi della sala capitolare della Chiesa di S.Nicolò a Treviso, 1352
Sembra impossibile, ma per più di due secoli nessuno
pensò a montare due lenti in successione. Lenti e occhiali
erano semplici strumenti da lavoro, umili e poco affidabili,
e nessuno li utilizzava come strumenti scientifici.
Lo studio dell’ottica come scienza avanzò faticosamente,
con risultati confusi e contraddittori.
La geometria della visione
• Nel 1400 a Firenze nasce con Brunelleschi,
Alberti, Pacioli, Piero della Francesca, la
scienza della prospettiva, che richiede
un’ottica precisa e rigorosa e dà impulso
allo studio scientifico degli strumenti ottici.
• Con Leonardo da Vinci (camera oscura) e,
soprattutto, con Francesco Maurolico
(principi di funzionamento degli occhiali)
la scienza ottica fece nella prima metà del
‘500 significativi passi avanti.
Masaccio, Trinità
Chiesa di S.M.Novella,
Firenze
L.B.Alberti?, Città Ideale,
Galleria Nazionale delle
Marche, Urbino
Ma allora, chi inventò il telescopio?
A quanto sembra ne parlò per primo Giovan Battista della Porta
(1538? – 1615) nel suo Magia Naturalis sive de miraculis rerum
naturalium, una vera enciclopedia prima in 4, poi in 20 volumi che
ebbe una diffusione enorme. Era una incredibile raccolta di corrette
osservazioni e procedimenti scientifici, e vere e proprie ciarlatanerie.
Ecco, ad esempio, un rimedio per le ferite:
«Si prenda il muschio che cresce sul teschio di
un uomo morto che giace insepolto, due once, la
stessa quantità di grasso d’uomo, mezza oncia di
mummia e di sangue d’uomo; un’oncia di olio di
semi di lino, trementina, e bolo d’Armenia; si
pestino insieme in un mortaio, e li si ponga in un
contenitore di vetro lungo e stretto. Si intinga
l’arma nella mistura e ve la si lasci: la mattina il
paziente si lavi la ferita con la sua propria urina;
e senza aggiungere altro, la si bendi stretta, e il
paziente sarà guarito senza dolore».
Ma il Porta era anche un profondo conoscitore dell’ottica sperimentale, e
aveva idee molto chiare sui principi di funzionamento delle lenti, dell’occhio e
degli strumenti ottici. L’11° capitolo del suo libro si intitola: “Degli occhiali con li
quali possa l’huomo veder di lontano, che avanza ogni pensiero”. E afferma:
«Con la lente concava vedi
nitidamente, ma impiccolite le cose
lontane, con quella convessa più
grandi, ma confuse, quelle vicine. Se
saprai comporre giustamente le une e
le altre, vedrai ingrandite e chiare
tanto le cose lontane come quelle
vicine. A molti amici, che vedevano
ottenebrate le cose lontane, e confuse
quelle vicine, abbiamo arrecato non
poco aiuto, in modo che hanno potuto
vedere tutto perfettamente».
Parla del cannocchiale o degli occhiali?
In realtà, il libro non contiene alcun
progetto di un telescopio che possa
funzionare correttamente.
Gli indizi a favore del Porta
• Parlò certamente del suo cannocchiale con Paolo Sarpi, grande
appassionato di scienze sperimentali e grande amico di Galileo;
• Una lettera del 1580 afferma che Porta era a Murano «a fare uno
strumento per vedere lontano»;
• Nel 1586 lo stesso Porta scrive al Cardinale d’Este di poter «far
occhiali che possono raffigurare un uomo alcune miglia lontano».
 Un documento del 1634
dichiara che nel 1604 a
Middelburg, in Olanda,
Zacharias Janssen costruiva
cannocchiali su un modello
pervenutogli dall’Italia e su
cui era scritto “anno 1590”.
E’ nato! E’ nato! Ma non funziona…
• E’ altamente probabile che il cannocchiale sia nato per caso in
Olanda, nei primi anni del ‘600, e che da lì abbia iniziato a
diffondersi nell’Europa del Nord come realizzazione artigianale e
grossolana, in vendita nelle bancarelle dei mercati popolari; lungo
circa 30 cm., ingrandiva gli oggetti non più di tre volte e dava
immagini distorte e sbiadite per le numerose imperfezioni del vetro
usato per le lenti. Va detto ancora che il primo tipo di cannocchiale
olandese usava una lente convergente e una divergente: dei molti
modi di costruire un cannocchiale, questo è il più difficile e delicato,
ma è anche quello suggerito da della Porta.
• Nel 1608 Johann Lippershey chiese agli Stati Generali d’Olanda il
brevetto per la fabbricazione dei cannocchiali, fornendo come prova
tre esemplari; il brevetto gli fu rifiutato perché i suoi strumenti
funzionavano male e perché il “segreto” non era affatto tale.
Galileo Galilei nel 1609
Ha 45 anni, vive e lavora a
Padova ed è nel pieno vigore
fisico e intellettuale.
Ma ha anche due problemi:
1) Ha bisogno di soldi
2) Ha un progetto personale
da realizzare
«Sono stupido, io. Non capisco
niente di niente. Perciò sono
obbligato a turare i buchi della mia
conoscenza. E quando ho il tempo di
farlo? Quando posso compiere delle
ricerche […] se per sbarcare il
lunario sono obbligato a inculcare, in
ogni testa di rapa che abbia i soldi
per pagarmi, che all’infinito le
parallele si incontrano?»
Bertolt Brecht, Vita di Galileo, scena 1
Galileo Galilei a 42 anni, ritratto da Domenico Robusti
Quasi una spy story
Alla fine di luglio, Galileo a Venezia sente circolare la notizia che in Olanda
hanno costruito uno strumento per vedere lontano e si rende subito conto
dell’immenso valore militare che lo strumento avrebbe per la Serenissima.
Con una manovra degna di un film
di spionaggio, riesce a evitare che
un olandese appena giunto in Italia
lo proponga per primo alle autorità
veneziane, e in due soli giorni,
sfruttando le scarse informazioni
che ha ricevuto, riesce a
comprendere i principi di
funzionamento e a costruire il suo
telescopio. E’ uno strumento già
molto migliore di quello olandese:
lungo 80 centimetri, ha otto
ingrandimenti e, in definitiva,
un’ottica molto migliore.
Come costruii il mio primo telescopio
Sono dieci mesi incirca, che pervenne a’ nostri orecchi un certo grido, esser stato
fabricato da un tal Fiamingo uno occhiale, per mezzo del quale gli oggetti, benché assai
distanti dall’occhio, si vedevan distintamente come se fussero vicini; e di questo effetto
invero ammirabile si raccontavano alcune esperienze, le quali altri credevano, altri
negavano. L’istesso pochi giorni dopo fu confermato a me per lettera di Parigi da un tal
Iacopo Badovero, nobil francese; il qual avviso fu cagione che io mi applicai tutto a
ricercar le ragioni ed i mezzi per i quali io potessi arrivare all’invenzione di un simile
instrumento: la quale conseguii poco appresso, fondato sopra la dottrina delle
refrazioni. E mi preparai primieramente un cannone di piombo, nelle estremità del
quale accomodai due vetri da occhiali, amendue piani da una parte, ma uno dall’altra
convesso e l’altro concavo: al quale accostando l’occhio, veddi gli oggetti assai prossimi
ed accresciuti; poi ché apparivano tre volte piú vicini, e nove volte maggiori, di quello
che si scorgevano con la sola vista naturale. Dopo mi apparecchiai un altro strumento
piú esatto, che rappresentava gli oggetti piú di sessanta volte maggiori. Finalmente, non
perdonando a fatica né a spesa alcuna, pervenni a tal segno, che me ne fabbricai uno
cosí eccellente, che le cose vedute con quello apparivano quasi mille volte maggiori, e
piú che trenta volte piú prossime, che vedute dall’occhio libero.
•
Galileo Galilei, Sidereus Nuncius, Firenze 1610
…e fu un trionfo!
"Galileo presenta il telescopio al Senato veneziano radunato sul
campanile di S. Marco a Venezia", affresco di Luigi Sabatelli,
Tribuna di Galileo, Firenze.
«Il Signor Galileo Galilei,
avendo tenuto le sue
lezioni presso l’Università
di Padova per diciassette
anni con soddisfazione di
tutti, avendo mostrato al
mondo numerose
scoperte e invenzioni, ma
in particolare avendo
inventato uno strumento
con il quale le cose
lontane diventano
facilmente visibili, poiché
si conviene che questo
Consiglio riconosca
munificamente l’opera di
coloro che servono il
bene pubblico…»
Dalla delibera del Consiglio dei Dieci
che raddoppiava lo stipendio annuale
di Galileo, Venezia, 1609
In poche settimane, Galileo trasforma un giocattolo in uno
strumento scientifico.
Scegliendo i materiali e gli artigiani
migliori, costruisce in pochi mesi diverse
centinaia di telescopi, solo dieci dei
quali funzionano; ma questi hanno
un’ottica praticamente perfetta.
Lente obiettiva di Galileo, Istituto e
Museo di Storia della Scienza, Firenze
Il quinto esemplare ben riuscito
già superava i 30 ingrandimenti
lineari, ed è quello di cui Galileo
parla nel Sidereus Nuncius.
Difetti e problemi
del cannone-occhiale
• La purezza delle lenti
• La risoluzione angolare
• Il campo visivo ridotto
• L’aberrazione sferica
• L’aberrazione cromatica
La purezza delle lenti
•
I vetri adoperati per la realizzazione di elementi ottici (lenti, specchi, prismi,
ecc.), oltre a particolari e ben definite caratteristiche ottiche e meccaniche,
devono essere omogenei ed esenti da difetti. Gli sbozzi non devono
presentare tensioni interne le quali possono provocare irreparabili rotture del
pezzo finito. Per gli elementi rifrangenti (lenti e prismi) è poi particolarmente
importante che al loro interno non siano presenti bolle, dovute alla presenza
di gas intrappolato nella massa vetrosa durante il raffreddamento, o inclusioni
di altro genere. Le lenti dei primi telescopi, per la fabbricazione delle quali si
adoperava il comune vetro dell'epoca, presentavano spesso al loro interno, in
misura anche notevole, bolle, inclusioni e disomogeneità.
La risoluzione angolare
La risoluzione angolare è la
minima distanza angolare alla
quale due oggetti si
percepiscono come separati.
Per i primi telescopi di Galileo
essa era di circa 20’’; per i
migliori esemplari, non meno
di 10’’.
Saturno nei disegni di Galileo
Il campo visivo
•
•
•
Il campo visivo del telescopio di Galileo era
di soli 15’, così ridotto che non riusciva a
inquadrare neppure l’intera superficie
lunare, ma solo una metà circa.
Galileo disegnò le sue mappe della luna tra
mille difficoltà: il freddo delle notti di
dicembre gli faceva tremare le mani, e con
esse l’intera struttura che reggeva il
telescopio; inoltre doveva pulire spesso le
lenti che si appannavano con l’umidità
dell’aria e con il calore dell’occhio.
Con la riduzione del campo visivo, anche la
luminosità dello strumento risultava
estremamente bassa. Tutto ciò rendeva
difficile e faticoso il puntamento e il
conseguente utilizzo. Tra le tante persone
che Galileo convinse a guardare attraverso
il suo perspicillum, non poche dovevano
essere sincere quando affermavano di non
vedere nulla.
Aberrazione sferica
• L'aberrazione sferica è
un difetto che in un
sistema ottico con lenti
sferiche porta alla
formazione di una
immagine distorta.
•È provocato dal fatto che la
sfera non è la superficie ideale
per realizzare una lente, ma è
comunemente usata per
semplicità costruttiva. I raggi
distanti dall'asse vengono
focalizzati ad una distanza
differente dalla lente rispetto a
quelli più centrali.
Aberrazione cromatica - 1
• E’ un difetto nella formazione dell'immagine dovuta al diverso valore
di rifrazione delle diverse lunghezze d'onda che compongono la luce
che passa attraverso il mezzo ottico. Questo si traduce in immagini
che presentano ai bordi dei soggetti aloni colorati. È un difetto dal
quale, in diversa misura, sono affetti tutti i sistemi ottici.
Schema dell’aberrazione cromatica
Esempio di aberrazione cromatica: i
bordi delle foglie appaiono blu
Aberrazione cromatica - 2
•
L'aberrazione cromatica è un grosso problema per ogni apparecchio che
voglia riprodurre un'immagine fedele, per esempio microscopi e telescopi.
Tipicamente, l'aberrazione cromatica si manifesta come un alone attorno
all'oggetto osservato, rosso da una parte e blu dall'altra. Questo perché rosso
e blu sono ai due estremi dello spettro della luce visibile, e sono quindi i colori
per i quali la differenza di rifrazione è maggiore.
•
Il problema viene in genere risolto
utilizzando lenti multiple di
materiali con diversa dispersione,
in modo che le differenze tra gli
angoli di rifrazione per la stessa
lunghezza d'onda si annullino tra
loro: si parla quindi di doppietto
acromatico, tripletto acromatico e
così via. L'aberrazione cromatica
può essere in questo modo
grandemente ridotta, ma non del
tutto eliminata. I dispositivi che
usano specchi, invece, non
soffrono di aberrazioni cromatiche.
Galileo astronomo
Nonostante i difetti del suo strumento,
Galileo vide molte cose nel cielo:
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La superficie lunare
La via lattea
I satelliti di Giove
L’ammasso delle Pleiadi
Le fasi di Venere
Saturno “tergeminum”
Le macchie solari
Le nebulose
Le stelle lontanissime
La terra che illumina la luna
E altro ancora…
La superficie lunare – 1
Ricostruzione di una osservazione
lunare di Galileo
La luna fotografata con le
tecnologie attuali
La superficie lunare –2
La superficie lunare - 3
I satelliti di Giove
Le fasi di Venere
•Sopra: disegno originale dal Sidereus
Nuncius.
•Nelle foto: a destra, ricostruzione delle
osservazioni originali di Galileo; a
sinistra, foto attuali di Venere.
•Sotto: le fasi di Venere nel periodo
agosto 1609 - aprile 1611.
Saturno
tergeminum
Le macchie
solari
Le tecniche di
osservazione
• Premessa: Galileo non
ritiene completo un
esperimento privo di
adeguata misurazione.
Come misurare il moto dei satelliti di Giove?
Galileo non si accontenta di avere
osservato i quattro satelliti medicei
ruotare attorno a Giove. E’ convinto che
esista una legge matematica che
descrive la regolarità del loro moto;
sente quindi la necessità di misurare i
loro periodi per poterli metterli in
relazione con le distanze dal pianeta.
Inventa allora un metodo per stabilire con precisione la loro posizione rispetto a
Giove, in una scala che ha come unità di misura il raggio gioviano. L’invenzione
consiste nell’affiancare al telescopio un braccio scorrevole che regge un disco di
cartone sul quale è disegnata una griglia regolare, quasi come un foglio di carta
millimetrata. Tenendo ambedue gli occhi aperti, il cervello dell’osservatore integra
le immagini sovrapponendo la griglia alla visione telescopica, e inserendo così i
corpi celesti in un reticolo di misurazione molto preciso.
Il reticolo di misurazione
L’osservatore fa scorrere il disco
lungo l’asse del telescopio tenendo i due
occhi aperti.
Quando vede il
corpo celeste
esattamente inserito nella
struttura regolare della
quadrettatura, può
stimare le distanze degli
oggetti vicini.
(Da uno studio di Stillman Drake e William Shea)
La “quasi scoperta” di Nettuno
Galileo osservò senza saperlo il pianeta Nettuno, ufficialmente scoperto nel 1846. Nei
suoi appunti sulle osservazioni di Giove, registrò la posizione di quelle che credeva
essere due stelle fisse, che chiamò a e b. Se le avesse osservate anche nei giorni
successivi, si sarebbe accorto che b era un nuovo pianeta ancora più lontano di Saturno.
(Da uno studio di Stillman
Drake e Charles Kowal)
Risulta evidente
l’uso del reticolo
per la misurazione
delle distanze dei
tre satelliti visibili
da Giove.
(5.40, 8.40, 20.40)
Appunto manoscritto di Galileo del 28 gennaio 1613
L’elioscopio
• E’ uno strumento che rende
possibile osservare la superficie
solare attraverso un telescopio
senza restare accecati.
• Galileo ne realizzò alcuni modelli
basati sulle idee di Benedetto
Castelli, suo allievo ed amico.
Modello di elioscopio di Cristoph Scheiner
La disputa sulle macchie solari
•
•
Oltre alle solite discussioni sulla priorità della scoperta, rivendicata da molti
astronomi del tempo, Galileo dovette affrontare una feroce diatriba sulla natura
delle macchie solari.
Il suo rivale più determinato, il gesuita Christoph Scheiner, sosteneva che esse
erano dovute ai passaggi di piccoli corpi celesti tra la terra e il sole; Galileo al
contrario dimostrò che le macchie dovevano trovarsi vicinissimo o esattamente
sulla superficie del sole, e che il loro movimento su di essa mostrava senza
possibilità di dubbio che il sole ruotava su di un asse inclinato.
Fine della storia
• Galileo non porta avanti la tecnologia del
telescopio, né gli studi sull’ottica, come faranno
invece Keplero, Newton e altri.
• Il problema di Galileo è ormai su un altro piano,
molto più filosofico che astronomico; ed è
soprattutto un problema di rapporto tra fede e
scienza, che lo condurrà dove sappiamo.
• Le sue osservazioni astronomiche si diradano
e la sua attenzione tornerà gradualmente agli
studi di cinematica e di meccanica che aveva
iniziato negli anni giovanili.
• Galileo cercherà ancora qualche tentativo di
applicazione pratica delle sue scoperte
(giovilabio, celatone, microscopio,…)
• Dei suoi strumenti ottici restano due telescopi
(incompleti) e una lente obiettiva, custoditi al
Museo di Storia della Scienza di Firenze.