La rivoluzione scientifica di Stefano Gattei (Università di Milano)  La nuova astronomia  La meccanica e l'ottica  I bookmark di ReS    La nuova astronomia La rivoluzione scientifica prese le mosse dall'astronomia. Sebbene fosse stata già discussa la possibilità che la Terra si muovesse, Niccolò Copernico fu il primo a proporre una teoria eliocentrica coerente e comprensiva, dotata di una portata e di un potere predittivo pari al sistema geocentrico di Tolomeo. Copernico respinse l'astronomia tradizionale in quanto violava il principio di uniformità del moto circolare, e in quanto mancava dell'unità e dell'armonia di cui invece dovrebbe godere un sistema del mondo. Appoggiandosi a dati sperimentali praticamente identici a quelli di Tolomeo, Copernico capovolse la nostra visione del mondo, ponendo il Sole al suo centro e mettendo la Terra in moto attorno a esso. Pubblicato nel 1543, il De revolutionibus orbium caelestium presentava un sistema del mondo dotato di una semplicità qualitativa che sembrava mancare a quello tolemaico. Tuttavia, per raggiungere livelli di precisione quantitativa paragonabili al sistema tolemaico, quello copernicano dovette diventare altrettanto complesso. Rimane comunque il suo aspetto rivoluzionario, specialmente per il suo realismo: in contrasto con lo strumentalismo di derivazione platonica, Copernico affermò che per essere soddisfacente l'astronomia doveva proporsi di descrivere il vero sistema fisico del mondo. Nel XVI secolo l'astronomo danese Tycho Brahe respinse sia il sistema tolemaico sia quello copernicano e propose un proprio sistema del mondo, intermedio fra i due. Contro la volontà del loro stesso autore, però, alla fine l'enorme quantità di dati raccolti da Tycho a supporto della propria teoria servì per decidere a favore della nuova astronomia copernicana. Utilizzando strumenti più grandi, più stabili, più rigidi e meglio calibrati rispetto a quelli dei suoi predecessori, Tycho compì osservazioni regolari nel corso di lunghi periodi di tempo, ottenendo così osservazioni molto precise (fino a circa un minuto d'arco, per quanto riguarda i moti planetari), migliori di molti fattori rispetto alle osservazioni precedenti. Molti dati raccolti da Tycho contraddicevano il sistema di Aristotele. Alla fine del XVI secolo Giovanni Keplero diede un fondamento astronomico concreto all'ipotesi copernicana. Nel 1609, egli annunciò la scoperta di due nuove leggi del moto dei pianeti, ricavate dalle osservazioni di Tycho: innanzi tutto, i pianeti si muovono attorno al Sole seguendo orbite ellittiche, delle quali il Sole occupa uno dei due fuochi. In secondo luogo, un pianeta si muove lungo la propria orbita in modo tale che un segmento tracciato fra il pianeta e il Sole spazza sempre aree uguali in tempi uguali. Con queste due leggi Keplero abbandonò il moto circolare uniforme dei pianeti, sollevando così il problema fisico fondamentale di che cosa sostenesse i pianeti e li mantenesse sulle loro orbite. Egli cercò di fornire una base fisica per i moti planetari ricorrendo a una forza analoga a quella magnetica. In questo modo veniva sancita l'unione della fisica all'astronomia, ovvero della fisica terrestre con quella celeste. Nel 1628 Keplero annunciò la sua terza legge per il moto dei pianeti: il quadrato del periodo in cui un pianeta compie la propria orbita intorno al Sole è proporzionale al cubo della sua distanza media dal Sole. Un contributo notevole all'astronomia venne poi da Galileo Galilei, che all'inizio del secolo XVII utilizzò il telescopio - inventato poco tempo prima dai molitori di lenti olandesi - per osservare i cieli. Nel 1610 Galileo annunciò delle osservazioni che contraddicevano molte assunzioni cosmologiche tradizionali. Osservò, in particolare, che la Luna non era costituita da una superficie liscia e levigata, come aveva sostenuto Aristotele, ma che presentava avvallamenti e rilievi. La luce cinerea sulla Luna rivelava poi che la Terra, al pari degli altri pianeti, splendeva di luce riflessa. Inoltre Galileo osservò che anche Giove, come la Terra, aveva dei satelliti: il nostro pianeta non aveva dunque né una posizione né un ruolo particolare all'interno del sistema solare. Infine, le fasi di Venere osservate dal telescopio di Galileo dimostrarono che questo pianeta compie la propria orbita attorno al Sole, non alla Terra.   La meccanica e l'ottica Ma la battaglia per il copernicanesimo venne combattuta nell'ambito della meccanica tanto quanto nell'ambito dell'astronomia. Il sistema aristotelico-tolemaico costituiva infatti un unico, compatto schema concettuale, fondato sull'idea che la Terra fosse ferma al centro del cosmo. Il fatto di allontanare la Terra dal centro del mondo distruggeva anche la dottrina aristotelica dei luoghi e dei moti naturali, e il moto circolare della Terra era incompatibile con la fisica aristotelica. I contributi di Galileo alla meccanica furono direttamente collegati con la sua difesa del copernicanesimo. Sebbene egli avesse aderito da giovane alla fisica di ascendenza aristotelica, il suo desiderio di matematizzare le proprie indagini, sulle orme di Archimede, lo portò ad abbandonare l'approccio tradizionale e a sviluppare i fondamenti di una nuova fisica, al tempo stesso altamente suscettibile di matematizzazione e direttamente correlata ai problemi cui la nuova cosmologia si trovava di fronte. Interessato a trovare la legge dei moti naturalmente accelerati, egli riuscì a ricavare la legge che descrive la caduta libera dei corpi (ovvero: la distanza percorsa dal corpo in caduta è direttamente proporzionale al quadrato del tempo di caduta). Combinando questi risultati con una prima formulazione del principio di inerzia egli riuscì a derivare la forma parabolica assunta dalla traiettoria di un corpo in movimento. Inoltre, il suo principio di inerzia gli consentì di rispondere alle obiezioni fisiche usualmente opposte al moto della Terra: dato che un corpo in movimento tende a conservare tale movimento, i proiettili e gli altri oggetti sulla superficie della Terra tenderanno a condividere il moto della Terra, che risulterà impercettibile a quanti si trovano sulla Terra stessa. L'opera di Isaac Newton costituì, alla fine del XVII secolo, l'apice della rivoluzione scientifica. Con il suo Philosophiae naturalis principia mathematica (1687), Newton risolse i più importanti problemi posti dalla rivoluzione scientifica nel campo della meccanica e della cosmologia. Fornì una base fisica alle leggi di Keplero, unificò la fisica terrestre e quella celeste sotto un unico gruppo di leggi, e formulò i problemi e i metodi che dominarono poi l'astronomia e la fisica per oltre un secolo. Grazie al nuovo concetto di forza, egli riuscì a sintetizzare due importanti componenti della rivoluzione scientifica, l'approccio meccanicistico e la matematizzazione della natura. Newton riuscì a ottenere tutti questi risultati a partire dalle sue tre leggi del moto: 1) ogni corpo continua nel suo stato di quiete o di movimento rettilineo uniforme a meno che non intervengano altre forze a perturbare tale stato; 2) il mutamento nel moto è proporzionale alla forza motrice impressa ed è nella direzione della retta lungo la quale tale forza è stata esercitata (f = ma, dove f e a, rispettivamente la forza e l'accelerazione, sono due vettori, mentre m, la massa, è una quantità scalare); 3) a ogni azione corrisponde sempre una reazione uguale e contraria, ovvero: l'azione reciproca esercitata da due corpi l'uno sull'altro è sempre la stessa. Da queste leggi Newton riuscì a derivare la legge di gravitazione universale. Dimostrò poi che il fatto che i pianeti si muovano su orbite regolate dalle leggi di Keplero implica (ed è a sua volta implicato dal fatto) che esiste una forza di attrazione proporzionale al prodotto delle due masse dei corpi che si attraggono e inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra di essi. Anche la legge di Galileo per il moto dei corpi in caduta libera risultò derivabile dalla legge del moto formulata da Newton: la stessa fisica che descriveva il moto dei corpi sulla superficie della Terra era ora in grado di spiegare come mai i pianeti si muovessero sulle loro orbite. Al pari della meccanica, anche l'ottica espresse, nel XVII secolo, lo spirito e i risultati della rivoluzione scientifica, combinando un approccio sperimentale con l'analisi quantitativa dei fenomeni. L'ottica affondava le proprie radici nella prima fisica greca, e in particolare in Euclide (V-IV secolo a.C.), che espresse compiutamente molti dei risultati di ottica geometrica scoperti dagli scienziati greci, inclusa la legge di riflessione: l'angolo di incidenza è uguale a quello di riflessione. Nel XIII secolo Ruggero Bacone, Roberto Grossatesta e John Pecham, basandosi sugli studi dello scienziato arabo Alhazen (morto nel 1039), presero in considerazione molti problemi di ottica, compresi quelli legati all'arcobaleno. Fu poi Keplero, proseguendo le ricerche di questi studiosi, a dare l'indirizzo generale alla scienza ottica nel corso del XVII secolo. Introdusse l'analisi punto per punto dei problemi ottici, tracciando dei raggi da ogni punto dell'oggetto a un punto della sua immagine. Allo stesso modo in cui il meccanicismo stava riducendo il mondo ai suoi costituenti di base, così Keplero affrontò l'ottica frantumando la realtà organica in quelle che egli considerava le sue costituenti ultime. Egli sviluppò così una teoria geometrica delle lenti, fornendo la prima descrizione matematica del funzionamento del telescopio di Galileo. A sua volta, il filosofo René Descartes cercò di incorporare i fenomeni della luce nel più generale approccio meccanicistico, mostrando come essi potessero venire interamente spiegati in termini di materia e di moto. Ricorrendo ad analogie tratte dalla meccanica, egli riuscì a derivare meccanicamente molte delle proprietà note della luce, compresa la legge di riflessione e quella di rifrazione, da poco scoperta. Molti dei più importanti risultati nel campo dell'ottica nel XVII secolo furono però dovuti a Newton, e in particolare alla sua teoria dei colori. La teoria tradizionale considerava i colori come una modificazione della luce bianca. Cartesio riteneva, per esempio, che i colori fosse il risultato del movimento rotatorio su sé tesse delle particelle che costituiscono la luce. Newton rivoluzionò la teoria tradizionale dimostrando, con un'impressionante serie di esperimenti, come la luce bianca sia in realtà costituita da una mescolanza da cui è possibile isolare raggi colorati in maniera differente. Egli associò ai raggi di differenti colori differenti gradi di rifrangibilità, riuscendo così a spiegare in che modo i prismi potessero produrre spettri di colori diversi a partire da un raggio di luce bianca. Il metodo sperimentale di Newton era caratterizzato da un approccio quantitativo: egli ricercava sempre variabili misurabili, distinguendo nettamente fra le scoperte sperimentali e le spiegazioni meccaniche di tali scoperte. Un altro suo fondamentale contributo all'ottica coinvolse i fenomeni di interferenza, che vennero i seguito chiamati "anelli di Newton". Nel XVII secolo Huygens fu, dopo Newton, il secondo scienziato ottico per importanza. Pur critico di molti particolari della teoria cartesiana, egli si inserì nella tradizione di ricerca iniziata dal filosofo francese, ricercando spiegazioni puramente meccaniche dei fenomeni. Huygens considerò la luce come un fenomeno d'impulso, sebbene negò esplicitamente la periodicità degli impulsi di luce. Sviluppò quindi il concetto di fronte d'onda, grazie al quale riuscì a derivare le leggi di riflessione e di rifrazione dalla sua teoria dell'impulso e a spiegare il fenomeno della doppia rifrazione, scoperto poco prima.   I bookmark di ReS History of Science Society Si tratta della maggiore associazione di storia della scienza al mondo. Il suo sito web contiene materiale, motori di ricerca, avvisi di convegni e conferenze, e numerosi link a siti di interesse (fra cui le principali riviste del settore, organi dell'associazione: Isis e Osiris). (in inglese) http://www.hssonline.org/main_pg.html American Institute of Physics È il sito più ricco di informazioni per chi si interesse alla fisica e alla storia della fisica. Particolarmente ricche sono le pagine dedicate alle risorse online. Attraverso la home page è possibile accedere ad archivi fotografici come gli Emilio Segrè Visual Archives, a materiale didattico di vario tipo e a siti che offrono la possibilità di scaricare gratuitamente i testi originali di molte opere fondamentali della storia della disciplina. È inoltre possibile iscriversi alla newsletter dell'associazione, per ricevere informazioni relative a convegni e pubblicazioni, o per prendere parte a una discussione fra specialisti. (in inglese) http://www.aip.org/ History of Physics Group Il gruppo, fondato nel 1984, si pone come obiettivo la conservazione e la trasmissione delle grandi testimonianze - scritte, orali o strumentali - della fisica anglosassone. Lo scopo è mostrare come la storia possa essere efficacemente usata per la comprensione, l'insegnamento e la diffusione della fisica. Molto interessante è la discussion list, cui è possibile iscriversi gratuitamente: la sua filosofia di fondo assume la fondamentale unità dell'impresa scientifica e si pone come forum per l'interazione di campi di ricerca diversi e spesso divisi rigidamente. (in inglese) http://www.iop.org/IOP/Groups/HP/ American Physical Society Un'altra associazione molto importante, con ulteriori link, informazioni e materiale. (in inglese) http://www.aps.org/ Echo Virtual Center Portale per la storia della scienza, in cui i vari link vengono continuamente aggiornati e arricchiti. (in inglese) http://echo.gmu.edu/center/ Vi e' piaciuto questo articolo? Avete dei commenti da fare? Scriveteci