Osservazioni ed esperimenti di Galileo

OSSERVAZIONI ED ESPERIMENTI DI GALILEO

Le osservazioni astronomiche di Galileo sono state di fondamentale importanza nell'affermarsi della Teoria Copernicana
I suoi studi di meccanica e termologia sono stati importanti non soltanto per le nuove conoscenze e la tecnologia che ne e' derivata, ma anche perche' hanno chiarito al mondo scientifico la natura matematica che sta alla base di tutti i fenomeni fisici, e hanno sottolineato l'importanza di un'indagine che fosse anche quantitativa.

La Luna

La Luna, anche osservata ad occhio nudo, presenta delle strutture superficiali: mari, altipiani e crateri. Nella cosmologia aristotelica, per la quale tutti i corpi celesti appartenevano al regno della perfezione e pertanto non potevano avere irregolarita', l'apparenza della Luna rappresentava un problema. Le regioni scure sulla sua superficie venivano spiegate nel Medioevo come variazioni della densita' lunare da un punto all'altro, le quali avrebbero dato alla Luna, anche se perfettamente sferica, l'apparenza che ha.

L'avvento del telescopio fece crollare definitivamente il concetto di perfezione degli oggetti celesti. Con il suo cannocchiale, Galileo osservo' non solo i "mari" della Luna, quei grandi avvallamenti che ad occhio nudo apparivano come regioni scure sulla sua superficie, ma anche molte regioni di dimensioni minori, contornate da righe scure. Egli noto' che la larghezza di queste linee cambiava al variare delle fasi lunari, cioe' dell'angolo di incidenza della luce del Sole. Galileo concluse quindi che esse sono ombre e che la superficie lunare ha montagne e crateri.
La Luna, dunque, non e' sferica ne' perfetta.

Disegno di Galileo che
illustra il gioco di luci
ed ombre sulla superficie lunare.
(Biblioteca Nazionale di Firenze)

I satelliti di Giove

I quattro maggiori satelliti di Giove (Io, Europa, Ganimede e Callisto) sono piuttosto luminosi, soprattuto quando il pianeta e' in opposizione, ma ad occhio nudo non sono osservabili perche' la luminosita' di Giove li nasconde.
Il primo a scoprirli fu Galileo, che sul finire del 1609, mentre concludeva le sue osservazioni della Luna al cannocchiale, noto' dapprima tre e poi quattro "stelline" vicine al pianeta. Dopo averle osservate per diverse settimane, l'astronomo noto' che esse sembravano seguire Giove nel suo moto attraverso il cielo, cambiando pero' posizione sia tra loro che rispetto al pianeta.
Nel gennaio del 1610, Galileo giunse alla conclusione che non si trattava di stelle, bensi' di quattro "lune" che ruotano attorno a Giove, come la Luna attorno alla Terra. Egli annuncio' la sua scoperta nell'opera che lo rese famoso, il "Sidereus Nuncius", pubblicato a Venezia nel marzo 1610.
Questa scoperta fu di fondamentale importanza per l'imporsi della teoria copernicana del moto planetario. Nella cosmologia aristotelica vi era un unico centro del moto (la Terra), attorno al quale ruotavano tutt i corpi celesti. Copernico sosteneva invece che fosse la Terra a muoversi attorno al Sole, e la Luna attorno alla Terra, cioe' che ci fossero due centri del motto. Il fatto che anche Giove possedesse dei satelliti, cioe' che fosse anch'esso un centro del moto, se non era una conferma della teoria copernicana, confutava pero' quella tolemaica.

Pagine del "Sidereus Nuncius" nelle quali
Galileo descrive la scoperta dei
satelliti di Giove

Visione artistica di Giove
con i satelliti medicei

Immagini dei satelliti medicei
prese dal Telescopio Spaziale Hubble
nell'ottobre del 1995 (HST)

Saturno

Secondo la cosmologia aristotelica, tutti i corpi celesti erano sferici e perfetti, ma le prime osservazioni di Saturno al telescopio costituirono una vera sorpresa. Dopo aver pubblicato il "Sidereus Nuncius", Galileo continuo' ad osservare il cielo al cannocchiale nella speranza di fare nuove scoperte.
Nel luglio del 1610, osservo' Saturno quando era in opposizione. Il suo strumento non era abbastanza potente per distinguere gli anelli, ed essi gli apparirono come dei rigonfiamenti laterali del pianeta. Egli interpreto' cosi' questo aspetto: "....Saturno non e' un astro singolo, ma e' composto di tre corpi, che quasi si toccano, e non cambiano ne' si muovono l'uno rispetto all'altro, e sono disposti in fila lungo lo zodiaco, e quello centrale e' tre volte piu' grande degli altri due...."
Lo scienziato dette cosi' al pianeta il nome di "Saturno tricorporeo". In seguito, egli osservo' anche che i corpi laterali erano scomparsi; infatti, durante il moto di Saturno nella sua orbita, il piano degli anelli cambia direzione rispetto alla Terra: quando essi si presentavano di taglio, non potevano essere visti al cannocchiale.
In seguito, altri astronomi confermarono lo strano aspetto di Saturno e le sue variazione, ma fu solo nel 1659 che l'astronomo Christiaan Huygens lo spiego' con la presenza di un anello attorno al pianeta.

Saturno nei disegni di Galileo

Disegno nel quale Huygens spiega l'apparenza degli anelli
di Saturno durante il moto del pianeta lungo l'orbita

Saturno fotografato dal
Telescopio Spaziale Hubble
nel 1994 (HST)

Le fasi di Venere

Il pianeta Venere, nella sua rivoluzione intorno al Sole, viene illuminato in modo da formare, come la Luna intorno alla Terra, delle fasi. Galileo lo verifico' con le osservazioni al cannocchiale, e scrisse: "Cynthiae figuras aemulatur mater amorum" (la madre degli amori, Venere) imita le configurazioni di Cinzia (la Luna).
Le fasi di Venere falsificavano il sistema tolemaico e provavano che Venere ruota attorno al Sole, come previsto dal sistema copernicano.

Venere fotografata dalla
sonda Galileo
(NASA/JPL)

Le macchie solari

Le macchie solari sono regioni scure, di forma irregolare e variabile, sulla superficie del Sole. Sono visibili anche ad occhio nudo, sebbene l'osservazione diretta del Sole sia molto pericolosa. Le prime osservazioni delle macchie solari ad occhio nudo sono dovute ai Cinesi e risalgono almeno al 28 a.C.mentre non e' no` in Occidente.
Il loro studio sistematico comincio' subito dopo l'introduzione del telescopio in astronomia, da parte di Galileo, nel 1609. Lo scienziato compi' una delle prime osservazioni delle macchie, insieme a Thomas Herriot, Johannes e David Fabricius e Christoph Scheiner.
Il fatto che il Sole presentasse delle irregolarita' sulla sua superficie e che il suo apsetto variasse nel tempo, era anch'esso una prova a sfavore della teoria tolemaica, secondo la quale ogni cosa appartenente al regno celeste era perfetta e immutabile.

Immagine del Sole, nella quale
si distinguono le macchie solari

Particolare di alcune macchie
solari (National Solar
Obs./Sacramento Peak)

Isocronismo del pendolo

Galileo era molto interessato ad un approccio di tipo matematico alla questione del moto; egli incomincio' fin da giovane ad analizzare criticamente la fisica aristotelica che gli era stata insegnata, attraverso la sperimentazione diretta sugli oggetti del proprio studio.
Si dice che Galileo intraprese lo studio del moto del pendolo nel 1581, dopo aver osservato il moto di oscillazione di una lampada sospesa nella Cattedrale di Pisa, citta' nella quale compi' gli studi universitari. Egli si accorse che il periodo di oscillazione di un pendolo e' indipendente dalla sua ampiezza, fenomeno detto "isocronismo" del pendolo, e cerco' di trovare le relazioni tra la lunghezza e il peso del pendolo e il suo periodo. In realta', un pendolo e' strettamente isocrono soltanto se le sue oscillazioni sono di piccola ampiezza, come fu scoperto da Huygens pochi decenni piu' tardi.
Un pendolo pote' quindi essere usato come strumento per misurare gli intervalli di tempo, trovando applicazione per esempio in medicina, come misuratore delle pulsazioni cardiache.
Molti anni piu' tardi, nel 1641, Galileo propose l'utilizzo del pendolo come meccanismo regolatore degli orologi, e ne abbozzo' un progetto. Tuttavia, ormai vecchio e cieco, non riusci' a realizzarlo, e l'orologio a pendolo venne costruito solo nel 1657, da Christiaan Huygens.

Un orologio a pendolo
(Museo di Storia della Scienza, Firenze)

Moto dei gravi

Galileo studio' la fisica aristotelica all'universita' di Pisa, ma comincio' subito ad analizzarla criticamente. Mentre gli aristotelici avevano un approccio di tipo qualitativo e filosofico nei confronti del mondo fisico, il quale veniva descritto per categorie e mai sottoposto a verifiche sperimentali, lo scienziato cerco' di sviluppare un metodo di indagine quantitatvo e matematico.
Uno degli oggetti di indagine di Galileo riguardo' il moto dei corpi materiali (detti "gravi"), in particolare quello dei corpi in caduta libera. Secondo la fisica aristotelica, il moto di un corpo e' determinato dalle forze alle quali e' soggetto; per un corpo in caduta, esse sarebbero il suo peso e la resistenza dell'aria. Quindi, secondo questa visione, un corpo lasciato cadere da una determinata altezza raggiungerebbe il suolo tanto piu' velocemente quanto maggiore e' il suo peso.
Galileo comincio' ad investigare criticamente questa ipotesi, come fecero prima di lui Giuseppe Moletti e Benedetto Varchi, i quali constatarono che corpi dello stesso materiale ma diverso peso, lasciati cadere dalla stessa altezza, raggiungono il suolo nello stesso tempo.
Lo scienziato pensava dapprima che i corpi cadessero con una velocita' uniforme caratteristica, che dipendeva non dal loro peso, bensi' da una proprieta' intrinseca detta gravita' specifica. Durante gli anni in cui insegnava matematica all'Universita' di Pisa (dal 1589 al 1592), egli comincio' ad esporre questa sua prima teoria sul moto dei gravi nel libro "De Motu", che pero' non pubblico' mai.
Nei vent'anni successivi, Galileo fece altri esperimenti ed arrivo' alla conclusione che tutti i corpi nel vuoto (cioe' non soggetti alla resistenza dell'aria o di un altro mezzo materiale) cadono con accelerazione uniforme, indipendentemente dal materiale di cui sono composti, dal loro peso o dalla loro forma, e che la distanza che essi percorrono durante la caduta e' proporzionale al quadrato del tempo impiegato per percorrerla.

Moto dei proiettili

Nel "Dialogo intorno a Due Nuove Scienze", Galileo affronta il problema del moto dei proiettili. Prima di Galileo, si credeva che un corpo lanciato in direzione orizzontale, per esempio un proiettile sparato da un cannone, si muovesse in direzione orizzontale fino a quando non perdeva il suo "impeto", dopodiche' cadeva verso terra, seguqndo una traiettoria curvilinea che pero' non era ancora conosciuta.
Galileo si accorse, durante lo studio del moto dei proiettili, che essi non sono soggetti soltanto alla forza che li spinge in direzione orizzontale, bensi'a nche alla forza di gravita', che li attira verso il basso. La prima componente agisce come una forza inerziale, nel senso che il corpo ad essa soggetto percorre una distanza in orizzontale che e' proporzionale al tempo impiegato per percorrerla. La seconda invece provoca un moto uniformemente accelerato, cioe' la distanza percorsa in verticale e' proporzionale al quadrato del tempo impiegato a percorrerla. Galileo dimostro' che la combinazione dei due moti orizzontale e verticale risulta nel moto del proiettile lungo un arco di parabola.

Disegno di Galileo che illustra i suoi
esperimenti sul moto dei proiettili

Disegno che illustra il moto parabolico dei
proiettili, lanciati con diversi angoli di inclinazione

La teoria delle maree

Galileo cerco' di spiegare il fenomeno delle maree non tramite l'influenza gravitazionale della Luna, dato che la teoria della gravitazione universale non era stata ancora formulata, bensi' in modo puramente dinamico, nell'ambito della teoria copernicana del moto degli astri.
Allo stesso modo in cui il moto dell'acqua all'interno di un vaso e' condizionato dal moto del vaso stesso, cosi' il moto degli oceani, secondo l'interpretazione galileiana, sarebbe condizionato dal moto della Terra.
Secondo lo scienziato, nel suo moto combinato di rotazione e rivoluzione, la Terra sarebbe soggetta a rallentamenti ed accelerazioni periodiche del proprio moto di rotazione, con periodo di 12 ore. A causa della propria inerzia, i mari si solleverebbero perche' "lasciati indietro" dalla Terra sottostante o viceversa.
Questa teoria non e' corretta: la causa reale delle maree e' l'attrazione gravitazionale della Luna sulla Terra. Tuttavia, anche se a volte fu in errore, Galileo cerco' di spiegare per mezzo dell'osservazione e della matematica i fenomeni osservati in natura, al posto di accettare l'interpretazione aprioristica della filosofia aristotelica. Questo rappresento' un passo avanti nella costruzione della scienza moderna.