Le prime osservazioni e i primi modelli

Di Pietro PantanoCentro Interdipartimentale della

ComunicazioneUniversità della Calabria

Indice

Osservazione dei fenomeni terrestri

Osservazione dei fenomeni astronomici

La Scienza greca I modelli astronomiciLa fisica aristotelica Il sistema tolemaico

I fenomeni terrestri

Per l’uomo primitivo, i fenomeni naturali sono causati da divinità, alcune volte benevole o irate con gli abitanti della Terra.

Tutto quel che accade è riconducibile non a cause naturali, ma ad azioni divine.

Bisogna aspettare la Scienza greca perché facciano la loro comparsa le prime teorie interpretative.

Osservazioni astronomiche

A) Fin dall’antichità i fenomeni astronomici colpirono l’immaginario dell’uomo, che imparò ad osservarli ed a classificarli.I più evidenti fenomeni celesti riguardano:B) il moto apparente della volta celesteC) le fasi lunariD) la posizione del sole nel cielo ed i cicli stagionaliE) l’apparizione di comete e meteore

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Video sulle osservazioni astronomiche

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Disomogeneità ed anisotropia del cielo stellato

Se osserviamo il cielo sopra di noi ci accorgiamo che:A) Cambia a seconda dell’ora di osservazione con un moto apparente da Est verso Ovest;B) Cambia a seconda della direzione di osservazione;C) Cambia a seconda della latitudine e della longitudineD) Cambia a seconda delle stagioni E) In determinati periodi alcuni astri sembrano apparire e scomparire nel cielo

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Video sul cielo stellato

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Le stelle fisse e i pianeti

A) Se osserviamo attentamente la volta celeste nella stessa posizione ma in tempi differenti, ci accorgiamo che: B) alcuni astri si ripresentano esattamente nella stessa posizione gli uni rispetto agli altri e li chiameremo pertanto Stelle FisseC) Altri invece cambiano a seconda dei giorni, delle stagioni e degli anni, cioé hanno un movimento apparente rispetto alle stelle fisse : i pianetiD) Altri ancora appaiono solo in determinati periodi e poi scompaiono: le comete

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Video sulle stelle fisse e i pianeti

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I cicli celesti: diurno, mensile, stagionale

A) Nella sfera celeste due grandi astri sono dominanti: il Sole e la LunaB) Il Sole, come tutti gli altri astri sorge ad Est e tramonta ad Ovest, scandendo la durata del giorno.C) la sua traiettoria nel cielo cambia nel corso di un anno, ritmando le stagioni. Quando il sole é presente nel cielo, nessun altro astro, tranne la Luna in alcune condizioni, é visibileD) Il secondo grande astro é la Luna; visibile di notte, anch’essa sorge ad Est e tramonta ad Ovest. La sua forma cambia nel corso del mese per le fasi lunari , passando da Luna Piena a Luna Nuova e di nuovo a Luna Piena.E) I due astri cambiano la loro posizione relativa nel corso del giorni e dei mesi rispetto alle stelle fisse.

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Video sui cicli celesti

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I pianeti

A) Se escludiamo il Sole e la Luna, solo cinque astri la cui posizione varia rispetto alle stelle fisse sono osservabili ad occhio nudo: Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno variano

B) Non tutti sono osservabili nella medesima direzione ed allo stesso tempo, ma bisogna girare lo sguardo ed anche attendere la loro comparsa nel cielo;

C) Questi erano gli unici pianeti noti fin dall’antichità; bisogna aspettare Galileo e la scoperta del cannocchiale per osservarne di nuovi

Seq 5 - cd 4

Video sui pianeti

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Comete e meteore

A) Alcuni astri compaiono nel cielo in determinati periodi; si comportano come pianeti nel senso che varia la loro posizione rispetto alle stelle fisse, ma poi non riappaiono più: questi astri si chiamano comete.

B) Molti di questi corpi celesti furono osservati fin dall’antichità e la loro apparizione fu registrata dagli astronomi del passato: la più famosa é la cometa di Halley;

C) l’ultima cometa che é apparsa ed é stata visibile ad occhio nudo é la cometa di Hale-Bopp

D) Bisognò aspettare il 1759 perché fosse confermato che alcune comete potessero ripresentarsi dopo un periodo di tempo più o meno lungo com’é il caso della cometa di Halley, che ha una periodicità di 76 anni circa

Seq 6 - cd 4

Video su comete e meteore

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La volta celeste

A) In realtà, se osserviamo attentamente il cielo verso Nord nell’emisfero boreale, ci accorgiamo che una stella non si muove, non cambia cioé la sua posizione nel corso della notte: é la stella polare.

B) Le altre stelle sembra che girino attorno a questa stella, descrivendo delle circonferenze. Una parte della circonferenza finisce dietro l’orizzonte e non é più visibile. Per questo le stelle sembra che si spostino da Est verso Ovest. Quelle che invece restano sempre sopra l’orizzonte sono dette circumpolari.

C) La Terra pertanto sembra sia contenuta in una sfera, detta Sfera Celeste, sulla quale sembra siano fissati tutti gli astri;

D) Questa sfera sembra ruotare attorno ad un asse passante per i poli terrestri. I punti in cui l’asse di rotazione incontra la sfera celeste sono detti “poli celesti”.

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Video sulla volta celeste

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Ancora un video sulla volta celeste

La Grecia

La Scienza greca

La scienza moderna deve molto all’eredità degli antichi greci.

Questi hanno iniziato a considerare i fenomeni come naturali, piuttosto che dovuti a cause soprannaturali.

Essi introdussero ragionamenti formali e li applicarono alla matematica ed alla geometria.

Aspetti generali della Scienza greca

Lo studio e la conoscenza della natura fu definita filosofia naturale

La rappresentazione del mondo era consistente con la filosofia

Fu data preferenza alla comprensione delle aspirazioni degli oggetti piuttosto che ai principi

La scienza fu separata dalla religioneNon esiste nessuna causa soprannaturale

Basi della scienza greca

Le teorie fisiche sono basate su considerazioni metafisiche a priori

La logica è la chiave per la comprensione

Esistono relazioni significative tra numeri e geometria

Il primo periodo

Talete (VII sec. A. C.) rimuove Dio dai fenomeni naturali

Pitagora

Immagine di Pitagora

Il teorema di Pitagora da un testo arabo

Pitagora (VI sec. A. C.)

visione mistica i numeri e la geometria forniscono un

modello concettuale di Universo Numerologia e misticismo Simmetria, bellezza, verità, perfezione e

semplicità sono tutti concetti correlati Il cerchio è la più perfetta forma

geometrica

La Grecia

Immagini di Platone

L’età aurea

Platone (IV sec. A.C.) La geometria entra nella Scienza Perfezione sferica-->orbite circolari primo modello consistente con le

osservazioni bassa opinione della filosofia naturale

(influenzato da Socrate) Le idee sono eterne, reali; le cose vanno

e vengono

L’età aurea/2

Platone (continua) Obiettivo del filosofo: determina la verità

dietro le apparenze• APPARENZA: il moto del sole e dei pianeti, e le fasi

della luna sono disordinati• VERITA’: Le traiettorie dei pianeti sono

circonferenze perfette– il cerchio è la forma più perfetta– i pianeti sono perfetti– i numeri e la geometria sono perfetti– la realtà è geometria e numeri

I solidi platonici

I poliedri regolari (tetraedro, cubo, ottaedro e icoesaedro) corrispondono ai quattro elementi fondamentali ( acqua, aria, terra, fuoco), mentre il dodecaedro corrisponde all’universo

Platone conosceva le proprietà elettriche dei pesci

Primi modelli: universo a due sfere

A) Già a partire dal IV secolo avanti Cristo, i Geci utilizzarono per rappresentare l’universo il modello a due sfere: la Terra, che costituisce la prima sfera, é al centro di un’altra sfera rotante dove sono collocate le stelle.

B) Il Sole, la Luna e gli altri cinque pianeti noti a quel tempo si pensava che si muovessero in uno spazio tra le due sfere.

C) Il grande problema dell’astronomia antica é stato lo studio del moto irregolare dei pianeti e la determinazione della loro posizione sulla volta celeste (ricordiamo che la parola pianeta deriva da una parola greca che significa errante, e che il Sole era considerato uno di tali pianeti).

D) Mentre si era in grado di completare tavole molto rigorose sulla posizione dei vari pianeti nel corso del tempo, il modello a due sfere non era assolutamente in grado di spiegare e predire tali moti.

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Video sui primi modelli

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Epicicli e deferenti

A) Vari tentativi furono fatti per rappresentare il moto dei pianeti. Uno di questi fu la teoria degli Epicicli e dei Deferenti elaborata tra il terzo e il secondo secolo avanti Cristo.

B) Questa teoria é basata sulla rotazione con velocità costante di un punto che si muove su un piccolo cerchio, l’epiciclo, attorno ad un secondo punto che si muove sulla circonferenza di un secondo cerchio, il deferente. Il Pianeta P é posto sull’epiciclo ed il centro del deferente coincide col centro della Terra.

C) Questo sistema tenta di rappresentare il moto irregolare del pianeta rispetto alle stelle ed il moto giornaliero del pianeta rispetto alla Terra.

D) Purtroppo le osservazioni sperimentali differivano da quelle previste teoricamente con questo modello.

Video su Epicicli e deferenti

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Questione Platonica

Quali moti circolari uniformi e ordinati bisogna considerare per ciascun pianeta per ottenere la sua apparente traccia irregolare nel corso del tempo?

Questo è uno degli obiettivi degli astronomiLa definizione di realtà è cambiata

profondamente nel corso della storia

Eudosso (IV sec. A.C.)

Studente di Platone Sfere dentro sfere

(visione omocentrica) combinazione di moti

circolari multipli 27 sfere sembravano

sufficienti per i 7 corpi pesanti

La causa del moto è ignorata

Sono predette le posizioni dei pianeti

Immagine di Aristotele

Aristotele ( 384-322 A. C.)

Studente di Platone E’ stato un osservatore oltre che un pensatore

è reattivo rispetto agli sforzi di Socrate e Platone di riformulare le leggi senza tener conto dei fatti empirici

Raffinò il modello di Eudosso considerò il moto delle sfere simile a meccanismi introdusse il primum movens aumentò fino a 56 il numero di sfere interagenti per

cancellare le irregolarità Pose le basi per l’avvento del sistema tolemaico

E’ il fondatore di un paradigma scientifico e filosofico durato molti secoli

La scuola di Atene

Il sistema aristotelico del mondo

Le sostanze possiedono proprietà che ne determinano il comportamento L’universo è fatto

da 5 sostanze con una collocazione preferita

Il sistema aristotelico del mondo / 2

Combina le sfere omocentriche con la filosofia platonica

Il Primum Movens è l’orologiaio del mondo il modello d’universo è

meccanicistico simile ad un meccanismo

di sfere interconnesse Non esistono relazioni

causali tra tutti i corpi pesanti

Il sistema aristotelico del mondo : Teorie del moto

Il moto di qualsiasi tipo richiede una motivazione Il moto naturale è causato dal desiderio di ciascun

elemento di trovare la sua collocazione naturale in relazione alla sua leggerezza o pesantezza

i moti celesti sono causati dal primum movens

Debolezze della teoria scarsa precisione osservativa le dimensioni della luna variano di circa il 10% la brillantezza dei pianeti varia molto durante il

moto

L’Egitto

Alessandria e l’impero ellenistico

Alessandria è uno dei centri intellettuali del mondo greco

L’atmosfera della città è più pratica e meno metafisica di Atene

Famosa per la sua biblioteca che conteneva almeno 400.000 volumi

Hanno studiato in questa città Archimede ed Euclide

Il faro di Alessandria

Aristarco ( III sec. A. C.)

Considera la terra rotante e l’eliocentrismo

Le sue idee sono deboli per tre ragioni principali:

Il sistema è qualitativo: non fa nessun calcolo dei cammini planetari

è contrario al paradigma dominante• non spiega i moti sublunari• E’ empio in quanto pone la Terra in moto nell’universo

Non considera i parallasse

Parallasse

Parallasse stellare Parallasse angolare

Eratostene ( 235 - 195 A. C.)

Usò la Geometria per misurare la circonferenza della Terra

Calcolò la curvatura dai differenti angoli di illuminazione

Osservazioni di Eratostene

I greci avevano intuito la rotondità della Terra Osservando la forma delle

ombre nelle eclissi Notando che alla distanza le

vele della nave apparivano prima della nave stessa

Per misurare il raggio, Eratostene partì dall’osservazione che a Siene, a differenza di Alessandria, il Sole di mezzogiorno illuminava il

fondo dei pozzi

Considerazioni di Eratostene

Analogamente le colonne a Syene non proiettavano ombra.

Allora, misurando l‘ombra proiettata ad Alessandria, poteva dedurre l’angolo tra le due città, rispetto al centro della Terra

Calcoli di Eratostene

Conoscendo la distanza tra le due città, poté quindi risalire al raggio della Terra;

Bisogna aspettare il XVII con Picard per avere una stima migliore

Euclide ( 330 - 275 A. C.)

Sistematizzò la geometriaGli elementi di Euclide è considerato il

Libro più influente dopo la BibbiaUsò la logica per la risoluzione di problemiEffettuò la costruzione di molte figure

geometricheIntrodusse il linguaggio matematico

moderno: assiomi, teoremi, dimostrazioni, corollari

Immagine di Euclide

Ipparco ( II A. C. )

Fece accurate osservazioni mogliorando gli strumenti di misura

calcolò la distanza del Sole e della Luna dalle eclissi solariIl calcolo della distanza solare non era corretta

Introdusse i cataloghi stellari Introdusse latitudine e longitudine rigettò l’eliocentrismo di Aristarcoaggiunse epicicli ed eccentricitàMolte modifiche raggiunsero il culmine con

Tolomeo

Calcolo della posizione stellare

A) Per determinare la posizione di un astro nel cielo, si ricorre alla misura di due angoli: altezza e Azimut.

B) L’altezza misura la distanza angolare dell’astro sopra l’orizzonte.

C) L’Azimut misura la distanza angolare dell’oggetto sull’orizzone, partendo da Nord in direzione Est.

D) Questo metodo, creato nei tempi più antichi, consente di individuare immediatamente la posizione di un astro nel Cielo, assegnandogli due coordinate sferiche, l’azimut e l’altezza. Non consente però di creare atlanti stellari universali in quanto la posizione dell’astro dipende dal luogo e dal tempo dell’osservazione.

E) L’astronomia moderna individua invece gli astri direttamente sulla volta celeste, sulla quale sono state proiettate le coordinate terrestri: latitudine e longitudine. Questo permette la determinazione della posizione dell’astro indipendentemente dall’osservatore e consente la creazione di cataloghi stellari universali.

Seq. 8 - cd 4

Video sul calcolo della posizione stellare

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Tolomeo ( 100-170 d.C. )

La sua vita è poco notaScrisse testi di Ottica e di GeografiaL’almagesto fu una compilazione ed una

collezione di dati Il titolo greco era Grande Sintesi o grande compilazione,

tradotto in arabo come Al Majisti E’ un compendio dell’astronomia greca Presenta nuovi lavori originali sul moto planetario presenta cataloghi stellari Fornisce metodi di calcolo E’ la base dell’astronomia fino la XVII secolo

Immagine di Tolomeo

Il sistema tolemaico

A) Il sistema degli epicicli e deferenti fu soltanto il punto di partenza di ulteriori sviluppi che condussero all’elaborato sistema di Tolomeo.B) Tolomeo indrodusse una serie particolare di sfere per spiegare non solo i moti del Sole e della Luna, ma anche le regolarità e le irregolarità che venivano osservate nel moto apparente dei sette pianeti noti fino ad allora: Luna, Sole, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno.C) Nel sistema geocentrico di Tolomeo, la Terra era immobile al centro dell’universo; intorno ad essa orbitavano i pianeti descrivendo delle traiettorie assai complesse.

D) Per rendere ragione dell’apparente irregolarità del loro moto Tolomeo spiegava che ogni pianeta descriveva un cerchio, detto epiciclo, il cui centro descriveva a sua volta una grande orbita intorno alla Terra.

E) Quasi sempre le rappresentazioni del modello tolemaico rappresentavano solo i deferenti dei pianeti.

Seq.13 - cd 4

Video sul sistema tolemaico

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Il sistema tolemaico /2

Mantenne l’astronomia dividendola dalla cosmologia usò la matematica senza indagare sulle cause mantenne l’eleganza matematica della trattazione

antica Fece accurati calcoli per costruire tavole planetarie da

usare nella navigazioneIl limite era legato all’accuratezza della misura dei tempi

Usò 80 epicicliSpiegò il moto retrogradoSpiegò la differente velocità Spiegò i cambiamenti nella brillantezza e le dimensioni

Eccentricità ed equanti

Eccentricità Equanti

Sistema tolemaico / 3

Fornisce argomenti a favore della sfericità della Terra perfezione della sfera

Il modello tolemaico era il più semplice in accordo con i dati sperimentali

Gli astronomi successivi cercarono di rendere il sistema tolemaico ragionevole e coerente con i dati fisici le sfere devono essere trasparenti Lo spazio tra le sfere deve essere riempito da una sostanza (

l’etere) Definirono le proprietà di tale sostanza