Personaggi ed eventi importanti nella Fisica, appunti universitari

Personaggi ed eventi importanti nel campo della Fisica

Dispense a beneficio degli studenti di "Didattica della Fisica" del corso di studi di Scienze della Formazione Primaria Daniele Murra

Storia della Fisica antecedente a Galilei

La Grecia dei secoli VII a.C. - II d.C.

I primi filosofi naturali si interessano essenzialmente di Astronomia. Talete fornisce una spiegazione per le eclissi (e ne predice una), Anassimandro deduce la durata di un anno solare osservando le variazioni dell'ombra di un bastone, il pitagorico Filolao afferma che la Terra gira intorno ad un 'fuoco centrale', insieme ad altri nove corpi (tra cui anche il Sole e la Luna). Parmenide, e poi Empedocle, sostengono che la Luna non emette luce propria ma riflette semplicemente quella solare.

Leucippo e Democrito introducono il concetto di atomo (dal greco a-tomoz, cioè 'indivisibile'). Per Democrito "opinione è il dolce, l'amaro, il caldo, il freddo, il colore: verità gli atomi e il vuoto". Gli atomi, secondo Democrito, sono particelle solide indivisibili, differenti tra loro per forma e dimensioni, e danno origine a tutta la materia, alle sensazioni e alla conoscenza.

Con Platone ed Aristotele, i due filosofi più importanti della storia antica, la Fisica si confonde con la Metafisica: entrambi, a parte alcuni scritti di Aristotele, il dibattito è su come sia fatto l'Universo, cosa o chi lo abbia messo in movimento, cosa sia da considerarsi reale o solo apparente.

Mentre Platone si occupa più di filosofia in senso stretto, Aristotele fonda un vero e proprio pilastro della conoscenza che durerà per quasi duemila anni.

Per Aristotele, che non è uno sperimentatore nel vero senso della parola, ci sono alcune certezze inconfutabili:

• La Terra è al centro dell'Universo, e intorno ad essa ruotano tutti i pianeti e il Sole, come pure il cielo delle stelle fisse (sono fisse non perché non si muovano ma perché le loro posizioni relative non cambiano);
• gli oggetti si muovono a seconda della loro natura: la terra, più pesante, va in basso, poi viene l'acqua, quindi l'aria, che tende ad andare in alto, e infine il fuoco che è il più leggero e va più in alto di tutti. Un oggetto cade, dunque, perché 'naturalmente' il suo posto è in basso, essendo composto principalmente dall'elemento terra;
• oltre ai moti naturali, esistono i moti 'violenti', cioè quelli imposti a forza come, ad esempio, il lancio di un sasso verso l'alto. Il moto lineare, anch'esso violento, si ha fintanto che ha una forza che lo spinge, terminata la forza il moto si esaurisce;
• oltre ai 4 elementi introdotti da Empedocle, esiste un quinto elemento, l'etere o quintessenza: è l'elemento, incorruttibile, di cui sono costituiti i corpi celesti;
• il vuoto non esiste, come pure non esistono gli atomi.

1Nonostante quelle di Aristotele siano esclusivamente delle opinioni, sebbene argomentate, la sua concezione dell'Universo e della Fisica rimarrà salda per molti secoli.

Ma, al contrario del filosofo di Stagira, altri eminenti pensatori greci non si limitano ad esprimere opinioni, bensì provvedono a fare vere e proprie misure per confermare la loro teoria.

E' il caso di Aristarco di Samo e di Eratostene di Cirene (entrambi del III secolo a.C.).

Aristarco di Samo scrive un testo "Sulle dimensioni e le distanze del Sole e della Luna", in cui tenta di determinare le grandezze di questi due corpi celesti, relativamente tra loro. La sua convinzione è che sia il Sole al centro dell'Universo, poiché le sue dimensioni sono molto più grandi di quelle della Terra e che le stelle fisse debbano trovarsi ad una distanza enorme rispetto a quella tra Sole e Terra, dal momento che il loro moto è impercettibile.

"Aristarco di Samo ha esposto in alcuni libri alcune tesi secondo le quali il cosmo, per i presupposti introdotti, è molto più grande di quanto noi lo riteniamo. Suppone questi infatti che le stelle fisse ed il Sole siano immobili, che la Terra ruoti descrivendo una circonferenza di cui il centro è il Sole" (dall'Arenario di Archimede)

Eratostene va addirittura oltre: convinto che la Terra sia sferica, escogita un ingegnoso sistema per misurarne il raggio.

Egli, consapevole che nelle città di Siene (l'odierna Assuan) e di Alessandria il mezzogiorno avviene nello stesso momento (oggi diremmo che si trovano sullo stesso meridiano), sceglie il giorno dell'anno in cui sa che a Siene il Sole è perfettamente a picco, poiché la luce solare entra in un pozzo e ne raggiunge il fondo.

Quello stesso giorno misura l'ombra generata, ad Alessandria, da un palo verticale. Con poche nozioni di trigonometria, all'epoca ben conosciute, calcola il raggio terrestre con un'accuratezza di circa il 2%.

Il periodo che va da circa il III secolo a.C. fino all'avvento dell'impero romano è noto come 'ellenismo' ed è un'epoca particolarmente felice per i successi che si raggiungono in diversi campi, tra cui l'arte e la scienza.

Aristarco di Samo e Eratostene di Cirene sono due esempi, ma questo è il periodo in cui Euclide scrive i suoi 'Elementi', Ipparco di Nicea scopre la precessione degli equinozi e ipotizza che le stelle 'fisse' in realtà si muovano, ed è l'epoca in cui vive ed opera anche Archimede di Siracusa.

Archimede è un grandissimo matematico e tra le sue scoperte si può annoverare la misura dell'area del cerchio (utilizzando un metodo che ricorda la matematica infinitesimale che arriverà solo 2000 anni dopo), la misura dell'area della sfera, il rapporto tra il volume di una sfera e di un cilindro circoscritto ad essa, il principio della leva, quello dei corpi galleggianti. Inoltre, realizza macchine meccaniche come la vite idraulica, l'architronito (un cannone a vapore), un planetario ...

Purtroppo, a noi non sono pervenute tutte le sue opere ma le notizie che abbiamo, dirette ed indirette, sono più che sufficienti per dare un quadro esaustivo delle sue capacità.

E non sarebbe un errore definire Archimede il Leonardo ante litteram.

Non mancano eminenti scienziati neppure nei secoli successivi.

Si possono citare, ad esempio, Erone di Alessandria (I secolo d.C.) e Claudio Tolomeo (II secolo d.C.).

2Quest'ultimo è l'autore dell'Almagesto e di altri importanti trattati, ed è colui che schematizza, in modo sistematico, la teoria eliocentrica di Aristotele, spiegando anche come sia possibile osservare il moto retrogrado dei pianeti.

Dopo il III secolo d.C. avviene una sorta di blackout su quasi tutti i campi della conoscenza. In parte è dovuta all'avanzare dell'impero romano, in parte alle conquiste fatte dai califfi arabi (sia i romani che gli arabi sono responsabili della quasi completa distruzione della biblioteca di Alessandria).

Per fortuna, ci sono molti arabi 'illuminati' che si prendono cura delle opere scritte dai loro predecessori, li traducono e ne fanno delle copie, alcuni aggiungono anche le loro teorie (tra questi ci sono Alhazen, Avicenna, Averroè) e li tramandano alle generazioni successive.

Con questi personaggi siamo già arrivati all'anno 1000 e nel mondo occidentale ci sono parecchi cambiamenti. Cominciano a crearsi dei luoghi in cui ci si occupa di matematica e fisica, in particolare nei monasteri, ma è anche il periodo in cui nascono le prime università (in Italia prima Bologna e poi Padova, Pavia, Napoli, Arezzo, Roma, Firenze ... ).

Siamo arrivati alla fine del Medioevo, e si affacciano nuovi modi di pensare e di agire.

Uno dei motivi da cui scaturisce prima l'Umanesimo e poi il Rinascimento è proprio la riscoperta dei testi degli antichi greci, che arrivano, soprattutto in Italia, grazie alle traduzioni degli arabi e all'arrivo dei greci che cercano di scappare dall'arrivo dei turchi Ottomani.

In Polonia, nel 1473 nasce Niccolò Copernico , il quale viene a studiare in Italia, impara il greco e legge le opere di Tolomeo.

Tornato in Polonia, dopo essersi laureato in diritto canonico, comincia a scrivere il suo trattato più famoso il "De Revolutionibus orbium coelestium" che, però, sarà pubblicato solo dopo la sua morte.

In questo trattato Copernico espone la sua idea di 'sistema solare', eliocentrico o copernicano, in contrapposizione al sistema geocentrico o tolemaico.

Il periodo che precede la nascita di Galileo Galilei è denso di avvenimenti e di personaggi che trasformeranno la cultura, la religione, l'arte e la scienza in Europa (ma anche nel resto del mondo).

Da poco è stata scoperta l'America, Martin Lutero affigge le sue 95 tesi dando origine allo scisma della religione cristiana, la Chiesa di Roma risponde con il Concilio di Trento e la Controriforma, il 1500 è il secolo di Francesco I, Carlo V ed Ivan il Terribile (in campo storico), di Michelangelo, Raffaello e Dürer (in campo artistico), Palestrina e Monteverdi (in campo musicale), Shakespeare, Tasso e Cervantes (in campo letterario), Brahe e Copernico (in campo scientifico).

Galileo Galilei (1564 - 1642)

Nasce a Pisa nel 1564, da padre musicista, primo di 6 o 7 fratelli. All'età di 10 anni la sua famiglia si trasferisce a Firenze e Galilei viene mandato a studiare al monastero camaldolese di Villombrosa. Da ragazzo manifesta la volontà di intraprendere la carriera religiosa ma il padre lo vuole medico e viene richiamato a Firenze. Nel 1581 (a 17 anni) entra all'università di Pisa, dove si appassiona alle scienze e comincia a fare i suoi primi esperimenti con i pendoli. I professori lo consigliano di passare dagli studi di medicina a quelli matematici. Non completa gli studi per problemi economici familiari e prende ad insegnare dando ripetizioni. Nel 1587 scopre un ingegnoso sistema per determinare il centro di gravità dei solidi e seppur questo non è sufficiente per vincere una cattedra all'università di Bologna, lo fa conoscere a Guidobaldo del Monte, un matematico e astronomo marchigiano, oltre che personaggio facoltoso e influente. Grazie a costui, Galilei ottiene una cattedra all'università di Pisa nel 1589. L'anno dopo scrive, ma non pubblica, un piccolo trattato intitolato "De motu" in cui descrive la fisica del moto dei gravi che, in caduta libera, impiegano lo stesso tempo indipendentemente dal peso e dal materiale. In questo libro non sembra ci sia alcun accenno alla teoria copernicana sul geocentrismo.

Nel 1591 muore il padre Vincenzo e Galilei diventa capofamiglia e l'unico sostentamento per la madre ed i fratelli. Grazie all'amicizia di Guidobaldo del Monte, comunque, riesce ad ottenere un posto all'università di Padova, con un salario più soddisfacente. Nella casa di Padova comincia ad organizzare il suo laboratorio ("bottega") e si interessa al problema delle maree (allora inspiegabile), avvicinandosi alla teoria copernicana. Viene in possesso di un trattato di Keplero (astronomo tedesco, autore delle leggi sul moto di rivoluzione dei pianeti) sulla cosmologia, dichiaratamente copernicana, cosa che influenza decisamente il pensiero di Galilei. Secondo la teoria copernicana, con il Sole al centro e la Terra che gli gira intorno, si dovrebbe verificare il fenomeno della parallasse, riferito alle stelle. Le stelle più vicine, infatti, dovrebbero essere viste in posizioni diverse, rispetto a quelle lontane, a sei mesi di distanza, per via della diversa posizione della Terra nello spazio. Ma questo fenomeno lo si verificherà solo un paio di secoli dopo.

Alla fine del 1500 Galilei mette su famiglia, anche se non si sposerà mai, e nel 1606 ha già 3 figli da mantenere, oltre alla compagna e alla famiglia di origine. Tra il 1600 e il 1604 studia il moto dei corpi, le oscillazioni del pendolo, misura (con metodi "musicali") l'accelerazione di un corpo lungo un piano inclinato e ricava sia l'indipendenza del periodo di oscillazione del pendolo dalla peso che dal materiale dell'oggetto che oscilla, sia la legge per cui lo spazio percorso da un corpo in caduta è proporzionale al quadrato del tempo trascorso (x = 1/2gt2). Inoltre, usando un piano inclinato per accelerare i corpi in discesa e per farli decelerare in salita, deduce che un oggetto in moto lungo un piano orizzontale non dovrebbe né accelerare né decelerare (il principio d'inerzia che poi formalizzerà Newton).

Nel 1604, un particolare fenomeno cosmico, l'esplosione di una supernova, riaccende il dibattito sulla teoria aristotelica secondo la quale l'essenza che costituisce il cielo delle stelle fisse è incorruttibile e immutabile. Sul tema astronomico, un fatto importantissimo avviene nel 1609: 4