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Prima lezione del mio corso di geografia astronomica per le classi del primo liceo. In questa lezione vedremo come è cambiata la visione dell'universo durante la storia dell'umanità. In particolare, introdurrò quali sono stati due modelli principali che davano una visione dell'universo: quello geocentrico e quello eliocentrico. E conosceremo quali sono i quattro personaggi principali che, con le loro scoperte, hanno aiutato l'umanità a conoscere la realtà sull'universo stesso. Partiremo da Copernico, passeremo per Galileo e Keplero, fino ad arrivare a Newton. Cominciamo.
Il modello dell'universo: i primi modelli che hanno provato a rappresentare una visione dell'universo differivano per la posizione che l'umanità dava di se stessa nel cosmo. La prima considerava un universo fatto da Dio a misura d'uomo; il secondo, invece, voleva spiegare una realtà più complessa, dove la Terra era solo uno dei tanti mondi che esistevano nel cosmo. Infatti, nel primo caso, quella geocentrica, si immaginava la Terra fissa al centro e tutto quanto il cielo che ruotava attorno alla Terra stessa. Quindi, in realtà, il cosmo esisteva in funzione della Terra. A contrasto, invece, nell'altra, quella eliocentrica, il cosmo era una realtà molto più grande e la Terra era solamente una piccola parte. Quindi, sono due visioni completamente diverse: la prima metteva l'umanità al centro; la seconda, invece, relegava l'umanità in una posizione secondaria dell'universo. All'epoca si pensava che tutto l'universo fosse solamente il sistema solare; non si immaginava che ci fosse qualcosa all'esterno.
Andiamo avanti e vediamo con dettaglio questo primo modello geocentrico. Secondo il modello geocentrico, quindi, come detto prima, la Terra viene immaginata ferma al centro dell'universo, con tutti gli astri, universo, stelle, pianeti che girano in funzione di essa. Comunque, sono lì per la Terra, non il contrario. Come ho detto prima, questo modello metteva la Terra come un palcoscenico che Dio aveva creato per l'umanità. Quindi, in realtà, tutto l'universo ruotava attorno all'umanità. Ovviamente, ci furono molte rivoluzioni culturali perché, all'epoca, le autorità che detenevano il potere, come quelle religiose, portavano avanti questa idea perché era nel loro interesse dare a Dio il ruolo di creatore del mondo e anche dell'universo stesso. Infatti, poi vedremo anche alcuni personaggi, come Galileo, che si sono scontrati con la visione della Chiesa.
Adesso, invece, parliamo del modello eliocentrico. Il primo a proporre il modello eliocentrico fu Aristarco di Samo, un astronomo greco vissuto tra il 310 e il 230 avanti Cristo. Questo signore misurò la distanza dalla Terra della Luna e del Sole, specialmente nei momenti di quadratura, ovvero quando la Terra, il Sole e la Luna formano un triangolo rettangolo con 90 gradi. Ha misurato anche le distanze tra la Terra e tre stelle, ma per un errore di misurazione, sbagliò di diversi ordini di grandezza. Oggi sappiamo che le reali distanze sono 400 volte maggiori di quello che aveva misurato lui. Però, è comunque sia, si parla di un signore che ha vissuto prima di Cristo e di conseguenza, già all'epoca, utilizzando la matematica, è riuscito a scoprire tantissime cose interessanti. Quindi, i suoi scritti sono sopravvissuti così tanto e quindi oggi sappiamo delle sue ricerche. Però, i più importanti scienziati che contribuirono alla nascita dell'astronomia moderna furono questi quattro: Nicolaus Copernicus, conosciuto in Italia come Niccolò Copernico; Johannes Kepler, o Keplero; Galileo Galilei, che è italiano; e Isaac Newton. Questi quattro sono stati i quattro scienziati che hanno guidato la rivoluzione culturale e scientifica che ci ha portato a vedere l'universo come lo conosciamo oggi.
Cominciamo da Copernico. Copernico è il primo personaggio storico del fermento di questa rivoluzione scientifica. E che cosa diceva Copernico? Che la Terra è un pianeta come gli altri; che Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno ruotano attorno al Sole; e che i pianeti percorrono orbite circolari. Questo punto è importante perché poi vedremo che, in realtà, non sono circolari. All'epoca, il sistema solare conosciuto finiva a Saturno; non si conoscevano ancora Urano e Nettuno. Però, lui fu ufficialmente il primo, in epoca abbastanza recente, a dire che i pianeti girano intorno al Sole.
Dopo di lui arrivò Keplero. Keplero modificò ciò che disse Copernico e lui scoprì che le orbite dei pianeti non erano circolari, ma ellittiche. Infatti, lui formulò le tre leggi fondamentali del moto planetario che sono conosciute come tre leggi di Keplero, e le vedremo a breve. Però, non fu in grado di capire qual era la forza che determinasse questo moto. Cioè, praticamente, lui scoprì come si muovevano i pianeti, ma non scoprì perché. Per sapere perché, dovremmo arrivare fino a Newton. Vediamo quindi adesso in dettaglio quali sono le sue tre leggi di Keplero, tanto importanti che ancora oggi sono fondamentali nella conoscenza della meccanica planetaria.
Cominciamo con la prima legge di Keplero: tutti i pianeti hanno un'orbita ellittica in cui il Sole occupa uno dei due fuochi dell'ellisse. Se ricordate l'ellisse, è la figura geometrica per cui tutti i punti che costituiscono l'ellisse sono equidistanti tra la sommatoria delle distanze che c'è tra due fuochi. Quindi, questa è la prima legge: le orbite dei pianeti sono delle ellissi di cui il Sole occupa uno dei suoi fuochi.
Nella seconda legge di Keplero dice che un pianeta percorre velocemente la sua orbita quando è vicino al Sole, più lentamente quando invece è lontano. L'enunciato esatto sarebbe che il pianeta percorre la sua orbita tracciando aree uguali in tempi uguali. Cosa significa? Che se il pianeta è vicino alla stella, al Sole, andrà veloce; mentre si allontana, andrà più lento. Se io vado a misurare l'area 1 con l'area 2, queste sono aree percorse in tempi uguali, vedrò che le due aree sono uguali. Cos'è che cambia? Cambia il pezzo di orbita che fanno: qui l'orbita è più lunga, qui è più breve. Quindi, vuol dire che le due aree, che sono uguali, sono state fatte in tempi uguali, però il pianeta ha accelerato quando vicino al Sole ed è rallentato quando è lontano. Questo vedremo poi perché: perché vicino al Sole la gravità è più forte, quindi accelera per rimanere in orbita; lontano dal Sole la gravità è più debole e può permettersi di rallentare pur rimanendo in orbita.
Andando avanti, vediamo la terza legge di Keplero. Dice che il quadrato del tempo necessario a percorrere l'intera orbita attorno al Sole (periodo di rivoluzione) è proporzionale al cubo della sua distanza media dal Sole. In parole povere, cosa vuol dire? Che i pianeti più vicini, come Mercurio, Venere, Terra, orbitano più velocemente di quelli più lontani, come Marte, Giove e Saturno. Quindi, più il pianeta è interno nel sistema solare, più ruota velocemente; più è esterno, più lentamente. Per esempio, se vediamo che la Terra impiega un anno a percorrere un giro intorno al Sole, vediamo che Venere, che è più vicino al Sole, ci mette il 61% del tempo; Mercurio ci mette il 24% di un anno; Marte ci mette quasi due anni, l'188%; Giove ci mette quasi 12 anni; Saturno ci mette quasi 30 anni. Cioè, cioè, più ci allontaniamo dal Sole, più le orbite sono grandi, più i pianeti orbitano lentamente e più tempo ci mettono a compiere un'orbita completa. I pianeti lontani orbitano più lentamente di quelli più vicini al Sole. E quello che ho detto fino adesso, quindi, possiamo scrivere la legge di Keplero anche con questa formula: il quadrato del tempo necessario a percorrere l'intera orbita attorno al Sole è proporzionale al cubo della distanza media. Che cosa vuol dire? T ovvero periodo elevato al quadrato equivale a una costante per il cubo del raggio. Quindi, k dipende dal corpo celeste attorno al quale avviene la rivoluzione, quindi dipende dall'oggetto: se sto parlando di un satellite, il k dipende dal pianeta; se invece sto calcolando il periodo di un pianeta, k dipende dal Sole e così via. Questi sono altri valori che vedremo quando faremo fisica, però la cosa importante da ricordarsi è che questo k è una costante che dipende da 4 volte pigreco al quadrato fratto g, che è la costante universale di gravità, per m, cioè l'unica variabile da cui dipende k è solamente la massa dell'oggetto attorno al quale sta ruotando il pianeta. Di questo calcolando il periodo.
Andiamo avanti e parliamo del terzo personaggio importante in questa storia, che è Galileo Galilei. Nel 1609 lui inventò il telescopio, ovvero prese un cannocchiale che già si utilizzava in navigazione e lo adattò per vedere oggetti nel cielo. E lui cos'ha scoperto con questo? Ha mappato la geografia lunare; ha scoperto le quattro lune di Giove. Questi sono i suoi appunti in cui segnava Giove e questi asterischi, queste stelline, sono le sue quattro lune che, ogni giorno, questi sono i giorni del mese, cambiavano posizione. E scoprì che queste 4 stelline stavano girando intorno a Giove. Quindi, cosa ha scoperto lui? Ai suoi tempi, lui viveva in Italia e in Italia la Chiesa imponeva la credenza che la Terra fosse al centro e che tutto quanto girasse attorno alla Terra. Lui aveva scoperto che c'erano oggetti che non giravano intorno alla Terra, come queste lune, e quindi ha proposto che anche la Terra girasse intorno al Sole. Non solo per questo motivo, ma anche perché vide le diverse fasi di Venere. Lui vide Venere in fase piena, mezza fase e in fase di falce e capì che il fatto che noi vedevamo Venere in diverse fasi è perché Venere non orbitava intorno a noi, ma orbitava intorno al Sole e quindi vedevamo diverse fasi. Questa è la Terra e, in base a dove Venere si trovasse, perché l'orbita di Venere è interna rispetto a quella terrestre, e quindi noi vedevamo la fase piena di Venere quando era dall'altra parte del sistema solare e quindi ci appariva piccolo, e vedevamo la fase di falce quando invece era dalla nostra parte del sistema solare e quindi la faccia ci appariva più grande: la fase piena ci appariva più piccola. E lui ha capito che nemmeno Venere girava intorno alla Terra, ma che anche Venere girava intorno al Sole.
E poi arrivò Isaac Newton. Lui fu l'ultimo dei grandi personaggi storici, e poi c'è stato Einstein che rivoluzionò tutto quanto, però quella è un'altra storia; però, in epoca recente, Isaac Newton capì perché i pianeti girano intorno al Sole. Keplero, come detto prima, aveva capito in che modo i pianeti girano intorno al Sole, ma non perché. Invece, Isaac Newton scoprì anche perché. Lui intuì la forza di gravità, ovvero che due corpi nello spazio dotati di massa si attraggono con una forza che è inversamente proporzionale al quadrato della distanza ed è direttamente proporzionale alle sue masse. Quindi, la forza di gravità equivale a una costante, la stessa di prima, che moltiplica le due masse fratto il quadrato della distanza. Lui ha scoperto questa formula qua, la formula della forza di gravità, e ha scoperto anche perché i pianeti girano intorno al Sole: perché il moto rotatorio dei pianeti intorno al Sole è una risultante tra due forze, ovvero tra la forza di gravità del Sole che tende ad attrarre il pianeta verso l'interno e la forza di fuga del pianeta che tende ad essere tangenziale e a portarlo via. La risultante fa girare, ed è come quando facciamo girare un oggetto intorno a noi con una corda: la corda vincola l'oggetto a girare intorno a noi. Se lo facciamo oscillare è per lo stesso motivo il pianeta. Questo moto rimane costante nel tempo, che l'orbita rimane stabile anche per miliardi di anni. Infatti, la Terra circonda il Sole da 4 miliardi e mezzo di anni.
Detto questo, ho finito la prima lezione del corso di geografia astronomica dei primi licei. Nella prossima lezione parleremo delle stelle: quali sono le principali proprietà delle stelle e come svolgono la loro vita, cioè come si formano e come muoiono. Potete trovare questa lezione e tutto il modulo di geografia astronomica della materia di Scienze della Terra per i licei sul mio canale YouTube e sulle mie pagine Instagram e Facebook: Prof. Antonio Lo Iacono. Grazie.