Galileo Galilei e la nuova
concezione dell’Universo
Classe: III Scientifico
Prof. Grazia De Troia
Galileo Galilei
(Pisa 1564- Arcetri1642)
• Circa 400 anni fa nel 1609 Galileo puntò per la prima
volta il suo canna-occhiale non in orizzontale durante il
giorno per osservare il paesaggio, ma in alto, di notte
verso il cielo stellato e diede così inizio al processo di
radicale evoluzione della nostra visione del mondo e
dell’universo.
• Prima di Galileo l’Universo era molto piccolo: come in
una cipolla la Terra era immaginata al centro di sfere di
cristallo su cui erano incastonati la Luna, il Sole e le
stelle.
• Tutto inizia a cambiare quando Galileo punta il suo
prototipo di telescopio verso la Via Lattea, scoprendo
con grande stupore che era composta da migliaia di
stelle, non risolvibili ad occhio nudo, ma che si rendono
perfettamente visibili alla visione telescopica.
• Da quel momento inizia il lento processo che porterà
dal canna-occhiale, il cui modello migliore si ritiene
avesse massimo 30 ingrandimenti, alla costruzione di
telescopi via via sempre più grandi e raffinati che
allargheranno le dimensioni dell’universo fino agli
attuali 15 miliardi di anni.
Teoria tolemaica o geocentrica
La Terra è al centro dell’universo e il sole, i pianeti e tutte le
altre stelle girano intorno. Più precisamente gli astri non
ruotavano intorno al centro della Terra: l’errore sarebbe stato
facilmente rilevato. Il centro delle orbite era dei punti che
ruotavano intorno alla Terra. Il movimento di questi punti era
ipotizzato in modo tale che i calcoli coincidevano con le
osservazioni: i calcoli erano molto complicati, ma erano
perfettamente compatibili con le osservazioni. Per questo fu
così difficile capire che in realtà la teoria tolemaica era
concettualmente sbagliata.
La teoria eliocentrica
Nel 1543 l’astronomo polacco Copernico pubblicò
un’opera in cui mostrava che se si fosse supposto il Sole
al centro i calcoli risultavano molto più semplici. Nacque
così la teoria eliocentrica di cui Galilei fu un grande
sostenitore. La teoria eliocentrica subì forti obiezioni da
parte del mondo scientifico di allora.
Le obiezioni principali:
•I calcoli delle due teorie si equivalevano, mancava perciò una
evidenza sperimentale a sostegno della nuova teoria
•Se la Terra si muove perché non ce ne accorgiamo? Gli
uccelli dovrebbero vedersi arrivare addosso gli edifici, il mare
sarebbe scagliato contro le montagne
•Se il cielo e la Terra seguono le stesse leggi allora perché gli
astri non ci cadono addosso?
IL PRINCIPIO DI INERZIA
Se la Terra si muove dovremmo accorgercene? NO!
Esperimento della nave, dal
Dialogo sopra I due massimi sistemi del mondo:
“Riserratevi con qualche amico nella maggiore stanza
che sia sotto coverta di alcun gran navilio, e quivi fate
d'aver mosche, farfalle e simili animaletti volanti….
…e stando ferma la nave, osservate diligentemente
come quelli animaletti volanti con pari velocità vanno
verso tutte le parti della stanza…
…fate muover la nave con quanta si voglia velocità;
ché (pur che il moto sia uniforme e non fluttuante in
qua e in là) voi non riconoscerete una minima mutazione in tutti li nominati effetti, nè da alcuno di quelli
potrete comprender se la nave cammina o pure sta
ferma.”
In realtà la Terra non si muove con moto rettilineo uniforme
ma, sostanzialmente, se ammettiamo il principio di inerzia ci
spieghiamo perchè non riusciamo a renderci conto che la
Terra è in movimento, così come in un aereo (che avesse
tutti i finestrini chiusi) non potremmo mai sapere se ci
muoviamo o siamo fermi.
Ma per i dotti del tempo era veramente difficile capire le
argomentazioni galileane che a noi sembrano chiare (ma
forse nemmeno a noi…)
Se le leggi che reggono il mondo terrestre sono uguali a quelle che
reggono gli astri allora cosa impedisce al sole e alla luna di caderci
addosso, quale è la forza misteriosa che li tiene sospesi nell'alto?
Cosa impedisce la catastrofe della collisione?
In questo caso nel 600 non c'era alcuna spiegazione: essa sarà
trovata circa cinquanta anni anni dopo da Newton con la scoperta
della legge della gravitazione universale che rese effettivamente
comprensibile tutto il sistema degli astri ma per il momento la
constatazione che i corpi pesanti cadessero verso il basso restava
inspiegabile se non c'era più "il basso"
La grandezza di Galileo sta nel suo approccio alla Natura,
del tutto nuovo e moderno come lo sarà quello di Einstein
La chiara comprensione che egli ebbe della legge di inerzia
e dell’invarianza dei fenomeni osservati in sistemi in moto
traslatorio uniforme, dimostrano la profondità del suo pensiero
ISAAC NEWTON (1642 – 1727)
L'importanza dell'opera di Newton nella storia della scienza
è capitale. I suoi studi sono fondamentali per la nascita
dell'ottica moderna, del calcolo infinitesimale, della
meccanica che, non a caso, viene detta "newtoniana",
nonché della cosmologia.
Con la sua opera, Newton fu in grado di unificare, in una
sintesi armonica ed omogenea, il mondo terrestre con
quello celeste: egli dimostrò, infatti, che i corpi che cadono
"naturalmente" sulla Terra e i moti dei corpi celesti
obbediscono ad una sola grande legge: la legge di
gravitazione universale.
Alla base della teoria di Newton vi sono tre assiomi, o leggi
del moto:
•Principio di inerzia (Galileo!)
•Il cambiamento del moto è proporzionale alla forza motrice
impressa (F=ma)
•Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria
(terzo principio della dinamica)
Nel terzo libro dei Principia Newton affrontò i fenomeni
astronomici: il moto dei pianeti e dei corpi celesti.
Newton riesce a spiegare quantitativamente il moto dei pianeti
e dei satelliti nel sistema solare usando solamente la teoria della
Gravitazione universale
F =G
M1M 2
r2
Fu un’impresa colossale, difficile dal punto di vista matematico
e basata su poche osservazioni disponibili.
La meccanica newtoniana ebbe un notevole successo tra gli
scienziati dell’epoca. In particolare I successi ottenuti nel campo
della meccanica celeste furono enormi.
Per oltre due secoli la meccanica newtoniana spiegò tutti i
particolari dei moti planetari.
Furono spiegate perfino anomalie che fino ad allora sembravano
inspegabili
Intorno al 1846 due scienziati Le Verrier e Adams giunsero
indipendentemente alla predizione dell’esistenza di un nuovo
pianeta, Nettuno, grazie allo studio delle perturbazioni dell’orbita
di Urano.
La loro previsione fu confermata dall’osservazione del nuovo
Pianeta.
La meccanica newtoniana fu utilizzata per spiegare anche
l’anomalia nel moto del perielio di Mercurio. Ma questa volta
non riuscì nell’impresa.
Primi segni che la meccanica newtoniana forse non poteva
spiegare tutto
Ci vollero due secoli prima che Einstein rivoluzionasse il concetto
di spazio e tempo con la relatività generale.
La spiegazione del moto del perielio di Mercurio fu uno dei più
grandi successi pratici della teoria della relatività generale
La sintesi newtoniana
Sfruttando gli studi sul moto di Galileo e le leggi della dinamica
da lui stesso enunciate, Newton potè spiegare il moto di
rivoluzione della Terra attorno al Sole.
Per determinare con precisione le traiettorie descritte dai pianeti
Newton introdusse il calcolo infinitesimale, arrivando a determinare
traiettorie ellittiche come quelle trovate da Keplero
Le tre leggi di Keplero
• Le orbite dei pianeti sono delle ellissi di cui il Sole occupa uno
dei fuochi
• Il raggio vettore Sole-pianeta spazza aree uguali in tempi uguali
• K=T2/R3
Le prove a favore del sistema eliocentrico
Il sistema fisico-cosmologico di Newton convinse in breve tempo
la comunità scientifica, per la sua coerenza, razionalità e universa
lità.
Tuttavia mancavano prove sperimentali
• 1726 Aberrazione della luce stellare: J. Bradley cercò di
determinare con precisione la posizione della stella Gamma
Draconis e notò che mutava con andamento oscillatorio di
periodo annuo, il periodo di rivoluzione terrestre
• 1838 Parallasse annua: Bessel misurò l’angolo di parallasse
annuo della stella 61 Cygni
Aberrazione stellare
Con la sua teoria della gravitazione universale Newton risolse
una delle obiezioni alla teoria eliocentrica: perchè il sole e gli
altri pianeti non ci cadono addosso.
Newton portò a compimento quella che fu chiamata rivoluzione
Copernicana, i cui passi più importanti furono:
•L’ipotesi eliocentrica di Copernico
•Le leggi di Keplero
•Le osservazioni astronomiche (Tycho Brahe)
•La metodologia sperimentale, la caduta dei gravi e il principio
di inerzia di Galileo
•Le leggi della dinamica e la gravitazione universale di Newton
“Se ho visto più lontano è perchè stavo sulle
spalle di giganti”, Isaac Newton