martedì, 1 Dicembre, 2020

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Da Aristotele ad Einstein: un viaggio alla scoperta dell’Universo

Nel corso della storia il nostro Sistema Solare, e più in generale il cosmo, è stato (ed è tutt'ora) oggetto di numerosi studi e ricerche: ripercorriamo questo viaggio che parte da Aristotele, passa per Dante, Galileo e arriva fino ad Einstein

I primi popoli che cominciarono ad osservare il cielo e scoprirne la regolarità dei moti e la correlazione con gli eventi terrestri furono gli Egizi e i Babilonesi. Ma, se da un lato le conoscenze sulle posizioni degli astri e la durata dei loro moti (giorno, mese, anno solare) erano già molto precise, la descrizione dell’Universo era fortemente intrisa di elementi mitologici. In particolare, l’astronomia babilonese era di tipo numerico, senza alcun modello geometrico dell’Universo, ma ciò nonostante era in grado di prevedere accuratamente la posizione degli astri e il verificarsi delle eclissi. Per il primo modello geometrico del cosmo dobbiamo aspettare il IV secolo a.C. con il trattato De Caelo di Aristotele.

Il modello dell’Universo Aristotelico-Tolemaico

Nel suo trattato, Aristotele descrive la sua visione dell’universo basandosi principalmente su considerazioni filosofiche piuttosto che fondate sull’osservazione. In particolare, Aristotele afferma che l’universo è sferico e finito. Sferico, perché è questa la forma più perfetta; finito, perché ha un centro, cioè il centro della Terra, e un corpo con un centro non può essere infinito. Anche la Terra è una sfera con l’ulteriore proprietà di essere statica. Se fosse in moto infatti, un osservatore dovrebbe vedersi muovere le cosiddette “Stelle Fisse”; non essendo così, il nostro pianeta non può che essere immobile.

Sistema geocentrico universo
Antica rappresentazione del sistema geocentrico

Infine, egli ipotizzò anche l’esistenza di un quinto elemento essenziale oltre acqua, aria, fuoco e terra: l’etere. Quest’elemento divino, secondo Aristotele, è incomposto, ingenerato, eterno, inalterabile, invisibile e privo di peso. Esso esiste nelle sue forme più pure nelle regioni celesti, ma si decompone nelle regioni al di qua della Luna. Questo primo modello ebbe grande successo nell’antichità e generalmente accettato. Nel corso degli anni, venne modificato affinché fosse coerente con la cultura Cristiana che si stava lentamente diffondendo. In particolare, Tolomeo adattò il modello ponendo la Terra immobile al centro dell’Universo e circondata dai 9 cieli che ritroviamo nel Paradiso di Dante.

La rivoluzione Copernicana

Il modello Aristotelico-Tolemaico resistette per più di un millennio; tuttavia, nel XVI secolo i tempi erano maturi per una profonda rivoluzione scientifica, fondata sull’osservazione sperimentale. Niccolò Copernico (1473-1543) fu il precursore di un profondo cambiamento. Egli infatti, basandosi su osservazioni dirette, dimostrò che la Terra non fosse immobile al centro dell’universo ma ruotasse intorno al Sole. Tuttavia, già nella seconda metà del XVI secolo diversi letterati e filosofi si scagliarono contro l’assurdità della nuova teoria, per il suo palese contrasto con la cultura tradizionale. Anche la reazione della Chiesa cattolica fu molto dura: fu proibito l’insegnamento di qualunque teoria eliocentrica e le opere di Copernico vennero inserite nell’indice dei libri proibiti. Nel 1632 l’inquisizione costrinse Galileo alla sua famosa abiura. Tuttavia, “le vie del firmamento erano ormai sgombre” [U. Foscolo, I sepolcri] per una descrizione fisica e matematica. Ecco allora che Newton (1642-1727) formulò la legge di gravitazione universale che descrive la forza esercitata da un corpo di massa (M) su uno di massa (m) posti ad una distanza (r):
$$
F=G\frac{Mm}{r^2}
$$
dove \(G=6.67\cdot10^{-11} Nm^2/Kg^2\).

La teoria della Relatività

Sebbene con fatica, le idee di Copernico, Galileo e Newton divennero il nuovo fondamento della meccanica celeste. Circa due secoli dopo però, ci troviamo di fronte ad un’altra crisi. Già negli ultimi anni dell’Ottocento alcune osservazioni sembravano mettere in discussione l’esattezza della teoria Newtoniana. Il matematico Urbain Le Verrier, ricordato per la scoperta del pianeta Nettuno, nel 1859 cercò di spiegare anomalie nell’orbita del pianeta Mercurio con l’esistenza di un altro pianeta: il pianeta Vulcano. Se non ne avete mai sentito parlare il motivo è semplice: tale ipotesi è radicalmente errata.

È solo con il lavoro di Minkowski prima ed Einstein poi che fenomeni come quello osservato da Le Vernier poterono trovare una spiegazione. Essi, infatti, furono fautori di una nuova e profonda rivoluzione nel modo di intendere la gravità e la Fisica in generale. Era necessario abbandonare i comuni concetti di spazio e tempo in favore di una nuova struttura: lo spaziotempo. Matematicamente, lo spaziotempo è un varietà Lorentziana \(\mathcal{M}\) dotata di un tensore metrico \(g_{ij}\). La novità è rappresentata dal fatto che tale varietà è curva. Ridotta all’osso, la teoria della Relatività prescrive che “la materia dica allo spaziotempo come curvarsi, e lo spaziotempo dica alla materia come muoversi” [J.A. Wheeler]. Ecco allora che fenomeni come la precessione dell’orbita di Mercurio trovano una spiegazione.
Negli ultimi anni sono sempre più le conferme della teoria di Einstein, primi tra tutti la rilevazione delle onde gravitazionali e la prima fotografia di un buco nero.

Buco nero
Fotografia del buco nero Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

Possiamo dire di essere soddisfatti? Assolutamente no. Un grande cruccio degli studiosi è trovare una teoria che sia coerente sia con la relatività che con la meccanica quantistica. Finora, infatti, ogni tentativo di unire queste due teorie si è rivelato vano.

In questa direzione vertono gli studi di due teorie: la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop di cui Carlo Rovelli è uno dei maggiori sostenitori. Se si riuscirà in futuro ad unificare queste due teorie potremmo essere di fronte alla realizzazione di uno dei sogni di Stephen Hawking: una teoria del tutto.

Articolo a cura di Mirko Baroni.

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  • Dal sistema tolemaico alla rivoluzione copernicana, G. Bonera, Dipartimento di Fisica ‘A.Volta’ Università di Pavia
  • Organizzazione Ricerche e Studi di Astronomia
  • R. M. Wald. General relativity. Chicago, IL: Chicago Univ. Press, 1984