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Astronomia Occidentale

Con il termine Astronomia Occidentale si intende l'insieme dei saperi relativi a corpi celesti e fenomeni astronomici elaborati da filosofi e scienziati occidentali nel corso dei secoli.

Possiamo individuare due fasi dell'astronomia occidentale, una antica e l'altra moderna: la prima da Pitagora (VI secolo a,C.) a Keplero (1571-1630) e la seconda da Galilei (1564-1642) a Newton (1642-1727).

Protagonisti

Pitagora

Nacque a Samo attorno al 570 a.C. Anni dopo si trasferì a Crotone in Magna Grecia, luogo in cui fondò una scuola che era contemporaneamente un movimento religioso e politico. Sul suo conto circolavano infatti numerose leggende tra cui alcune che lo descrivevano come un “santo” pagano provvisto di qualità e di poteri sovrannaturali. I Pitagorici si impadronirono del potere in alcune città dell’Italia meridionale. Fu proprio a causa di una rivolta contro il regime da loro imposto che Pitagora morì, di morte violenta, verso la fine del secolo.

Teoria cosmologica

Per Pitagora i numeri sono principio di ogni cosa: alla scuola pitagorica viene riconosciuto il merito di stabilire una correlazione tra fenomeni astronomici e leggi matematiche. I numeri sono il principio della realtà ed esprimono l’armonia delle leggi dell’universo che Pitagora per primo definì Kosmos. Scoprì inoltre che era possibile esprimere la periodicità dei moti celesti tramite leggi matematiche.

Egli chiama l’universo “Cosmo”, in greco “ordine”, voce associata al termine “chaos” che indica lo stato di confusione a partire dal quale avrebbero poi avuto origine le cose. Nel concetto pitagorico di “cosmo” c’è qualcosa di filosoficamente più interessante: essi ritengono che l’ordine non sia stato prodotto da un’entità più o meno consapevole ma che esso sia intrinseco alla natura dell’universo e governato da strutture matematiche.

“[…] ricercano infatti le ragione e le cause non riportandosi a ciò che è oggetto di osservazione, ma piuttosto riconducendo a forza i fenomeni a certe loro ragioni e opinioni, e tentando in questo modo di armonizzarli e condurli a un tutto ordinato.”

Elabora inoltre una teoria cosmologica basata sull’armonia. L’universo si manifesta un ordine armonico regolato dalla giusta misura e dall’equilibrata proporzione tra i suoi elementi.

In base ai principi di bellezza e armonia i pitagorici sostennero che gli astri, a causa della loro perfezione, hanno forma sferica, ritenuta la figura più perfetta, e si muovono secondo orbite circolari.

Modello planetario

I pitagorici sostenevano che la Terra non fosse al centro dell’universo, ma ruotasse con tutti gli altri corpi celesti intorno a un fuoco centrale invisibile chiamato “focolare” del cosmo.

“[…] dicono questi infatti che al centro è posto il fuoco, mentre la terra è uno degli astri e si muove in circolo attorno al centro, producendo in tal modo la notte e il giorno. Essi poi costruiscono anche un’altra terra opposta a questa, a cui danno il nome di <antiterra>.”

Il numero degli astri è determinato in analogia con la sacra tetraktys, il numero dieci: disposti secondo distanze in proporzione tra loro, sono, a partire dall’esterno, le stelle, Saturno, Giove, Marte, Venere, Mercurio, il Sole che riflette come una lente i raggi del fuoco centrale, la Luna, la Terra e un altro pianeta, l’Antiterra, introdotto per raggiungere il numero dieci.

Eudosso di Cnido

Eudosso di Cnido, nacque intorno al 408 A.C. e morì intorno al 355 A.C.. Egli fu un genio enciclopedico perché si occupò oltre che di matematica, di astronomia, musica, geografia, medicina, filosofia, etica, ecc… Una lunga tradizione vuole che sia stato discepolo di Platone, ipotesi non più ritenuta valida, perché le dottrine di Eudosso come l’Edonismo sono assai diverse da quelle del suo supposto maestro.

Teoria cosmologica

Per quanto riguarda le matematiche, Eudosso si occupò della teoria delle proporzioni di problemi di geometria dello spazio (pare che risalgono a lui alcuni teoremi poi raccolti da Euclide nei suoi Elementi). Ideo una definizione del rapporto proporzionale ancora apprezzata dai moderni compatibile con la condizione secondo cui essa si debba poter applicare anche a grandezze incommensurabili.

Celebre è anche il metodo cosiddetto “di esaustione” da lui inventato. Si tratta di un metodo per calcolare aree e volumi, che lavora sulla base di figure inscritte e circoscritte a quella in oggetto, e che è considerato il lontano progenitore del moderno calcolo infinitesimale, che conosciamo anche con il nome di analisi matematica.

Modello planetario

Il modello di Eudosso fu il primo modello geocentrico, ovvero un sistema che prevedeva la Terra al centro dell’Universo. In questo modello ogni Pianeta, e così pure il Sole e la Luna, è posto su una sfera interna a un gruppo di sfere concentriche. Tutte le sfere del gruppo sono collegate tra loro e ruotano su assi diverse. La sfera esterna è quella delle stelle fisse e quindi i Pianeti, che si trovano all’interno delle sfere concentriche, sono trascinati da questa sfera nel movimento giornaliero verso Ovest della volta Celeste. Ogni sfera riproduce un diverso moto. L’insieme dei moti delle diverse sfere dovrebbero spiegare la complessità del moto del Sole, della Luna e dei vari Pianeti conosciuti. Questo modello pur spiegando approssimativamente il moto dei pianeti non spiegava le variazioni di luminosità.

Aristotele

Aristotele nacque nel 384 a.C. a Stagira. Nel 367 a.C. iniziò a studiare nell’Accademia platonica ad Atene, nella quale studiò fino alla morte del maestro e fondatore della scuola, Platone. In seguito alla morte di Platone, egli lasciò Atene poiché il maestro non gli lasciò la guida dell’istituto e iniziò svariati viaggi che terminarono nel 335 a.C. con il suo ritorno nella città. Qui fondò un ginnasio chiamato “Liceo”, che ben presto venne denominato Peripato, orientato verso lo studio e la ricerca, che non prevedeva la vita comunitaria e non aveva scopi politici. Lasciò poi la guida della scuola a Teofrasto, prima di morire nel 322 a.C. per malattia a Calcide.
Teoria cosmologica

Aristotele afferma che la natura è composta da materia, intesa come ciò che è privo di qualsiasi forma. Questo vale anche per i quattro elementi primi: terra, acqua, fuoco e aria, come nel modello già ipotizzato da Empedocle. Tuttavia, a differenza da quest’ultimo, sostiene che gli elementi si possano trasformare l’uno nell’altro, grazie allo scambio delle qualità associate alla materia, ovvero il freddo, il caldo, il secco e l’umido. I quattro elementi tendono a muoversi verso il proprio luogo naturale in moto rettilineo. La Terra è caratterizzata da quattro strati posti in successione dal più pesante al più leggero; questa tendenza spiega il peso degli oggetti, poiché tra questi strati avvengono scambi continui.

Modello planetario

Lo spazio occupato dai corpi celesti ha inizio dall’orbita della Luna. Questi si muovono su moti circolari all’interno dell’etere: una sostanza eterna, trasparente ed estremamente rarefatta, che era ritenuta essere il mezzo di propagazione della luce e riempiva l’intero universo, costituito da cinquantacinque sfere cristalline concentriche con la Terra. Secondo il sistema Aristotelico il moto degli enti celesti è più perfetto degli enti sublunari (infatti non si corrompono), dunque il loro moto dev’essere adeguato alla loro perfezione: pertanto il loro moto è quello circolare uniforme, poiché si avvicina maggiormente all’immobilità. Per spiegare i moti apparenti dei corpi celesti dati da moti circolari uniformi, vengono associate più sfere ad ogni pianeta. Tutte queste sfere sono reali e sono fatte di etere.

Epicuro

Nacque a Samo nel 314 a.C. Egli si trasferì ad Atene dove fondò una scuola filosofica i cui membri venivano chiamati “filosofi del giardino”. Epicuro morì intorno al 271/270 a.C.

Teoria cosmologica

Epicuro escludeva l’intervento degli dei per idealizzare un modello astronomico, le sue teorie infatti si basano sul materialismo e sul meccanicismo. Tutto è formato da atomi che si muovono secondo un moto rettilineo uniforme nella stessa direzione, nel vuoto, tuttavia, può capitare che uno di essi cambi direzione, casualmente, causando lo scontro con altri atomi (teoria del clinamen).

“Gli atomi si muovono senza posa in eterno. Alcuni rimbalzano via lontanissimi gli uni dagli altri, altri sostengono l’urto di rimbalzo lì dove sono, e ciò quando si trovino racchiusi in un complesso intreccio di atomi oppure protetti dagli atomi di altri intrecci. Causa di ciò è il vuoto, che divide ciascun atomo dall’altro, non essendo la sua natura capace di opporre resistenza alcuna [...]”

Dallo scontro di questi atomi si forma la realtà che ci circonda. Non si può escludere che lo scontro tra atomi sia avvenuto solo una volta, bensì anche molte altre, che hanno dato origine a infiniti universi (teoria degli infiniti mondi)

Claudio Tolomeo

L’ultimo dei grandi scienziati alessandrini, visse circa tra il 120 e il 160 d.C. Egli riassunse tutta l’attività astronomica del mondo antico; fu autore di scritti di ottica e trattò di cosmografia nella geografia.

Il Moto della Terra

Due astronomi e matematici greci, Apollonio e Ipparco, svilupparono tra il III e il II secolo a.C. un nuovo modello astronomico fondato sull’epiciclo, un piccolo cerchio che ruota con velocità uniforme intorno ad un punto C, ruotante a sua volta su un secondo cerchio detto deferente.

Il sistema deferente-epiciclo spiega il moto retrogrado del pianeta e la maggior luminosità del pianeta durante il moto retrogrado. Questo modello fu sviluppato nella sua forma definitiva nel II secolo a.C. dall’astronomo Tolomeo che aggiunse epicicli minori, equanti ed eccentrici.

Il modello geocentrico a epicicli risultava flessibile e preciso. Infatti è possibile aggiungere elementi o variare il modello per renderlo più aderente alle osservazioni astronomiche e spiegare ulteriori irregolarità del moto dei pianeti.

Il modello a epiciclo

Nel modello a epiciclo, i pianeti ruotano sull’epiciclo intorno al punto C, mentre il centro del deferente coincide con il centro della Terra. Tutto il sistema ruota inoltre giornalmente insieme alla sfera delle stelle fisse.

Il sistema epiciclo deferente presenta due versioni principali:

1) L’epiciclo minore che spiega l’anomalia solare

Nel sistema dell’epiciclo minore, il deferente muove in senso antiorario verso est, mentre l’epiciclo muove in senso orario verso ovest.

2) L’epiciclo maggiore che spiega le anomalie planetarie

Le anomalie come il moto di retrogradazione dei pianeti sono spiegate nel sistema dell’epiciclo maggiore, in cui il deferente e l’epiciclo muovono entrambi di moto circolare uniforme nello stesso senso antiorario verso est.

L’eccentrico

L’eccentrico è un cerchio il cui centro non coincide con il centro del deferente, cioè la Terra, ma è spostato rispetto a questo.

L’ipotesi dell’eccentrico risulta in particolare adatta a giustificare l’anomalia solare.

I Modelli Eliocentrici

Fin dal V secolo a.C. furono proposti da vari filosofi greci modelli di Universo diversi da quello geocentrico. Leucippo e Democrito, e successivamente i Pitagorici, proposero un Universo infinito in cui la Terra era solamente un corpo celeste tra molti altri. Aristarco di Samo, verso la metà del III secolo a.C., propose il primo modello completamente eliocentrico, secondo la quale il Sole si trova al centro di un Universo sferico e la Terra ruota intorno a esso.

I modelli eliocentrici erano in contrasto con il senso comune dell’epoca e inoltre non riuscirono mai a fornire una descrizione dei dati osservativi più precisa di quella fornita dalla visione geocentrica.

Tutta l’esperienza umana sembra infatti contraddire l’idea che la Terra si muova.

Niccolò Copernico

Nacque a Torun, in Polonia, nel 1473. Dopo gli studi del 1491 nell’Università di Cracovia studiò medicina, diritto e conobbe le opere degli astronomi antichi nelle Università Italiane di Bologna, Padova e Ferrara. Contemporaneamente aveva seguito gli studi religiosi ed era divenuto canonico della Cattedrale di Frauenburg. Tornato in patria nel 1506 svolse funzioni di medico, giurista, diplomatico e amministratore. A questa attività affiancò gli studi astronomici, lavorando alla sua opera fondamentale, il “De Revolutionibus Orbium Caelestium”, che fu pubblicata nel 1543, anno della sua morte. In esso, Copernico riprese il modello eliocentrico e lo sviluppò in un sistema completo e alternativo a quello tolemaico. Nel modello Copernicano la Terra, insieme agli altri pianeti, ruota intorno al Sole, che si trova al centro dell’Universo. Copernico riteneva il suo modello non un semplice schema per interpretare i dati osservativi, ma un vero modello fisico, corrispondente alla realtà fisica dei pianeti e del Sole. In questo modello tutte le orbite sono circolari e la velocità dei pianeti è costante.

Il Moto della Terra

Il modello copernicano prevede per la Terra tre movimenti:

1. Moto di rotazione intorno a un asse passante per i poli;
2. Moto di rivoluzione intorno al Sole;
3. Moto conico dell’asse di rotazione terrestre;

-Moto di rotazione intorno a un asse passante per i poli: la Terra compie una rotazione in 24h in direzione Est. Mentre i moti notturni delle stelle, il moto del Sole e quello della Luna sono moti apparenti, risultando da Est verso Ovest;

-Moto di rivoluzione intorno al Sole: la Terra compie in un anno una rotazione completa intorno al Sole. Il moto apparente (di circa 1° al giorno) del Sole lungo l’eclittica solare è quindi conseguenza del moto di rivoluzione terrestre.

I copernicani riscontrarono problemi nel definire il moto di rivoluzione della Terra, poiché muovendosi nello spazio la posizione delle stelle sarebbe dovuta essere leggermente diversa (effetto di parallasse), se osservata a sei mesi di distanza (cioè in punti opposti dell’eclittica).

Secondo concezione tradizionale aristotelica, l’ipotesi del vuoto non era prevista, infatti fino al 1838 non si sia mai osservato alcun effetto di parallasse. Questo portò a pensare o che la Terra non si muovesse nello spazio oppure che la distanza della Terra dalle stelle dovesse essere molto superiore a quello che si riteneva.

-Moto conico dell’asse di rotazione terrestre: l’asse di rotazione terrestre non rimane parallelo a se stesso durante il moto di rivoluzione perché la Terra ruota rigidamente intorno al Sole. Esiste inoltre un movimento conico dell’asse terrestre con un periodo molto più lungo (circa 24’000 anni) che determina un fenomeno astronomico detto precessione degli equinozi.

I Successi del Modello Copernicano

Da parte del sistema copernicano la spiegazione del moto delle stelle e del Sole è equivalente a quella fornita dal sistema tolemaico ma è molto più semplice a livello qualitativo poiché non sono infatti necessari epicicli: il moto retrogrado dei pianeti è in realtà un moto apparente generato dal moto congiunto della Terra e dei pianeti.

La Misura dei Periodi di Rivoluzione e dei Raggi delle Orbite dei Pianeti

Un notevole successo per Copernico fu il calcolo del periodo di rivoluzione dei pianeti e il raggio delle loro orbite. Copernico utilizzò i dati astronomici raccolti nel corso dei secoli e calcolò le distanze dei pianeti dal Sole confrontando i raggi delle orbite dei vari pianeti con quello dell’orbita terrestre. Analogamente determinò i periodi di rivoluzione dei pianeti allora conosciuti confrontando le frequenze di rotazione intorno al Sole dei pianeti e della Terra. Un tale risultato era impensabile e impossibile senza cambiare sistema di riferimento, vale a dire senza porre il Sole al centro. Nel sistema tolemaico, infatti, si potevano solamente calcolare i rapporti tra il raggio dell’epiciclo e il raggio del deferente, ma non la distanza assoluta fra il Sole e i pianeti.

I Limiti del Modello Copernicano

Il modello Copernicano non risolse il problema dei pianeti più di quanto l’avesse fatto il sistema tolemaico, pertanto tutti i fatti osservativi erano spiegati dai due sistemi con lo stesso grado circa di precisione. Così Copernico fu costretto a rinunciare alla semplicità del suo sistema di sette circoli, presentato nel primo libro de “De Revolutionibus Orbium Caelestium”, per cui la sua precisione era addirittura inferiore a quella del sistema tolemaico. Allora introdusse eccentrici ed epicicli, cosicché il suo sistema completo prevedeva più di trenta circoli ed era complicato quasi quanto quello tolemaico, ma non più preciso.

Copernico non riuscì a elaborare convincenti e nuove spiegazioni per sostenere il moto della Terra. Infatti le sue argomentazioni a favore del moto circolare dei pianeti sono aristoteliche: i moti circolari avvengono con regolarità e le irregolarità sono solo moti apparenti. La sua visione cosmologica ha come unica rottura il cambiamento del sistema di riferimento.

La fisica copernicana utilizza il concetto di “moto naturale” aristotelico, cioè di moto determinato dalla “natura” del corpo stesso.

Tycho Brahe

Tycho Brahe nacque nel 1564 e morì nel 1601. Durante la sua vita divenne il più grande astronomo della metà del ‘500, l’ultimo astronomo a occhio nudo. Egli fondò un osservatorio chiamato URANIBORG.

Teoria cosmologica

A lui si devono progressi fondamentali nelle tecniche di osservazione astronomica, nella progettazione e nell’uso di nuovi strumenti e le osservazioni più sistematiche e precise delle posizioni dei pianeti.

Durante un’osservazione egli scoprì la prima stella nuova (nel linguaggio moderno una supernova). Una stella molto brillante la cui luminosità tuttavia diminuì progressivamente fino a scomparire del tutto dopo circa 18 mesi. La scomparsa di un nuovo corpo celeste era incompatibile con il carattere immutabile e incorruttibile della sfera celeste Aristotelico-Tolemaica e di fatto contribuì indirettamente a rendere più credibile il modello Copernicano.

Un’altra scoperta fu l’osservazione delle comete, rilevate da lui tra il 1577 e il 1596, che parevano spostarsi attraverso le stelle celesti. Ma, per come erano pensate le sfere celesti, era impossibile ipotizzare che le comete le attraversassero: era più ragionevole supporre che non esistesse alcuna sfera contraddicendo ancora il modello Aristotelico-Tolemaica.

Modello planetario

Il modello Ticonico fu una sorta di compromesso tra il modello Tolemaico e quello Copernicano. In questo modello Tycho respingeva l’idea del moto della Terra sulla base della mancanza di parallasse visibile per le stelle. La Terra occupa nuovamente il centro dell’Universo, rappresentato come un’unica sfera, nel quale le stelle sono ancora fisse. Il Sole e la Luna ruotano intorno alla Terra, ma tutti gli altri pianeti ruotano intorno al Sole su epicicli, così da spiegare il moto irregolare di alcuni pianeti come quello di Marte. Il sistema Ticonico prevede, come tutti gli altri sistemi che lo precedettero, moti circolari, epicicli, eccentrici. Un aspetto importante del sistema Ticonico, sostenuto dalle sue osservazioni sulle comete, è che implica l’abbandono delle sfere cristalline, sostegno del moto dei pianeti. Infatti, poiché l’orbita del Sole interseca l’orbita di altri Pianeti come, Marte, Mercurio e Venere, le relative sfere cristalline dovrebbero penetrare l’una nell’altra, attraversando reciprocamente.

Keplero

Giovanni Keplero vissuto tra il 1571 e il 1630 fu successore di Tycho Brahe , ma diversamente dal suo maestro fu un copernicano convinto; era fondamentalmente un matematico e un astronomo teorico che quindi non si basava unicamente sull’osservazione diretta . Keplero concentrò i suoi studi sull’orbita di Marte , precedentemente analizzata da Brahe, il cui moto presentava irregolarità . Keplero si impegno anche a studiare il numero, il periodo, e l’etensione A seguito degli studi relativi Keplero stipulò tre enunciati :

Teoria cosmologica

Le orbite dei pianeti sono ellissi in cui il sole occupa uno dei due fuochi; Le velocità orbitali dei pianeti non sono costanti ma coprono spazi uguali in tempi uguali; Il rapporto tra il quadrato del periodo di rivoluzione (T) e il cubo del semiasse dell’orbita (R) è costante ; Il modello progettato da Keplero è eliocentrico nel quale le orbite dei pianeti non erano circolari ma ellittiche, diversamente da come si pensava in precedenza.