Galileo Galilei - Le grandi scoperte, L'eliocentrismo e la condanna ecclesiastica, Il contributo di Galileo alla scienza, Galileo e la fisica

RICERCA DI FISICA

Galileo Galilei

Introduzione

Galileo Galilei, nato a Pisa nel 1564 e morto ad Arcetri (Firenze) nel 1642,  fu un importante fisico, astronomo e filosofo italiano. Insieme all'astronomo tedesco Keplero, è considerato uno dei fondatori della rivoluzione scientifica del XVII secolo, culminata nell'opera di Isaac Newton.

Il disaccordo con l'autorità ecclesiastica in seguito alla sua adesione alle tesi copernicane, l'obbligo di abiurare e la successiva condanna, hanno fatto di Galileo il simbolo della difesa del diritto della scienza a "ricercare" la verità, rifiutando qualsiasi limitazione da parte delle autorità.

lio del musicista Vincenzo, Galileo ricevette la prima formazione culturale presso i monaci di Vallombrosa; nel 1580 si iscrisse alla facoltà di medicina dell'università di Pisa, ma il maturare di nuovi interessi per la filosofia e la matematica lo spinse ad abbandonare gli studi intrapresi ed a dedicarsi a queste discipline. Nel periodo successivo lavorò ad alcuni scritti sull'idrostatica e sui moti naturali, che non furono pubblicati. Nel 1589 divenne professore di matematica a Pisa, dove iniziò la critica del pensiero aristotelico; si dice che per dimostrare ai suoi allievi l'errore del filosofo greco, secondo il quale la velocità di caduta di un corpo era proporzionale al suo peso, egli abbia lasciato cadere contemporaneamente due oggetti di peso diverso dalla Torre pendente. Nel 1592 ottenne la cattedra di matematica all'Università di Padova, dove rimase per 18 anni.

Le grandi scoperte

Nell'ambiente stimolante della città, Galileo inventò un "compasso" geometrico - militare per calcolare la soluzione di problemi balistici, e realizzò numerosi esperimenti che lo condussero alla scoperta delle leggi che regolano la caduta libera dei gravi; studiò il moto dei pendoli e alcuni problemi di meccanica. Per quanto riguarda l'astronomia, egli dichiarò la sua adesione alla teoria copernicana sin dal 1597 e, in contrapposizione alla concezione geostatica del cosmo elaborata da Tolomeo, addusse una teoria delle maree legata al movimento della Terra. L'invenzione del cannocchiale, nel 1609, rappresentò una svolta nella sua attività scientifica: perfezionò lo strumento e lo utilizzò per precise osservazioni astronomiche, che culminarono nella scoperta di montagne e crateri sulla Luna, della Via Lattea come ammasso di stelle e dei quattro maggiori satelliti di Giove. Pubblicò le sue scoperte nel marzo 1610 con il Siderus Nuncius.

L'eliocentrismo e la condanna ecclesiastica

La fama che ne trasse gli procurò il posto di matematico e filosofo di corte a Firenze, dove, libero dagli impegni dell'insegnamento, si dedicò alla ricerca e alla stesura delle opere. L'osservazione delle fasi di Venere (1610)  rappresentò una convincente conferma dell'ipotesi copernicana. La sua critica alla teoria di Aristotele sulla perfezione dei cieli innescò un'accesa polemica con l'ambiente filosofico; il contrasto con i teologi si inasprì ulteriormente con la pubblicazione, nel 1612, di un'opera sulle macchie solari in cui Galileo faceva aperta professione delle teorie copernicane, considerate eretiche perché in contraddizione con il contenuto della Bibbia. Nel 1614 un sacerdote fiorentino denunciò i seguaci di Galileo dal pulpito. Galileo rispose con una lunga lettera, nella quale affermava che il conflitto tra il pensiero scientifico e l'interpretazione dei testi sacri non era sintomo di una duplice verità: occorreva invece distinguere fra il significato anzitutto morale e salvifico delle Sacre Scritture, le quali ricorrevano anche ad un linguaggio immaginoso per farsi comprendere dal popolo, e la ricerca scientifica, che deve basarsi esclusivamente sulle "sensate esperienze" e le "certe dimostrazioni", le dimostrazioni di tipo matematico.

All'inizio del 1616, i libri di Copernico furono sottoposti a censura per editto e il cardinale gesuita Roberto Bellarmino intimò a Galileo di ripudiare la teoria sul moto della Terra. Galileo restò in silenzio per anni, lavorando ad un metodo per determinare le longitudini sul mare in base alla posizione dei satelliti di Giove e riprendendo gli studi precedenti sulla caduta dei corpi. Espose le sue idee sul metodo scientifico nel Saggiatore (1623), un'opera sul fenomeno delle comete, che fu benevolmente accolta dal nuovo pontefice Urbano VIII. Nel 1624, incoraggiato dal credito ottenuto, mise mano ad un'opera che voleva chiamare Dialogo sulle maree, nella quale riprendeva ed esaminava le teorie tolemaica e copernicana riguardo alla fisica delle maree. Nel 1630 il libro ricevette il visto per la stampa dai censori per la chiesa di Roma e fu pubblicato due anni dopo a Firenze con il titolo Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo. Nonostante l'opera avesse ricevuto due visti ufficiali, Galileo venne convocato a Roma dall'Inquisizione, che lo processò per "grave sospetto di eresia". L'accusa si fondava sul fatto che il cardinale Bellarmino nel 1616, gli aveva personalmente ordinato di non discutere più le tesi di Copernico, né verbalmente, né per iscritto: in risposta all'accusa, Galileo presentò un documento firmato dal cardinal stesso, ormai morto, che lo liberava dal vincolo. Nessun documento contraddittorio fu mai trovato, ma ciononostante nel 1633 Galileo fu costretto ad abiurare, e venne condannato al carcere a vita (pena che fu rapidamente commutata negli arresti domiciliari permanenti ad Arcetri). Fu ordinato, inoltre, che il Dialogo venisse bruciato e che la sentenza contro lo scienziato fosse letta pubblicamente in tutte le università.

Il contributo di Galileo alla scienza

L'ultimo libro di Galileo, Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica e i movimenti locali, pubblicato nel 1638 a Leida, in Olanda, riesamina e perfeziona gli studi precedenti sul movimento e, in generale, i principi della meccanica. Questa opera aprì la strada che avrebbe portato Newton a formulare la legge della gravitazione universale, collegando le leggi di Keplero sui pianeti alla fisica-matematica di Galileo.

Galileo gettò le basi del moderno metodo scientifico, che collega strettamente l'osservazione dei fenomeni naturali, il ricorso alla matematica per la formulazione delle leggi scientifiche e la verifica sperimentale, e soprattutto fornì la prima interpretazione della natura in senso rigorosamente quantitativo, basandosi sullo studio delle proprietà geometriche e meccaniche dei corpi - l'estensione, la ura, il movimento - e prescindendo, in prima istanza, dalle loro qualità 'secondarie' o soggettive, quali colori, suoni, odori. Grande è stata la sua influenza sui posteri dal punto di vista filosofico, specie con le opere Sidereus Nuncius e Dialogo, relativamente minori per il contenuto scientifico, ma eccezionale testimonianza della lotta condotta per liberare la ricerca scientifica dai vincoli rappresentati dalle interferenze teologiche.

Intorno al 1870,  con la pubblicazione completa dei documenti del processo a Galileo, l'intera responsabilità della condanna dello scienziato fu attribuita alla Chiesa, trascurando il ruolo svolto dai professori di filosofia del tempo che, per primi, persuasero i teologi del contenuto eretico della scienza di Galileo. Un'indagine sulla condanna dell'astronomo, con la richiesta di cancellarla, fu ordinata nel 1979 da papa Giovanni Paolo II e terminò nell'ottobre del 1992 con il riconoscimento, da parte della commissione papale, dell'errore del Vaticano.

Galileo e la fisica

-Il metodo sperimentale

Come detto in precedenza, Galileo fu uno dei fondatori della nuova scienza: Galileo, infatti, pose un nuovo fondamento alla scienza, il metodo sperimentale.

Secondo il metodo sperimentale è necessario innanzitutto sperimentare e poi, fatte delle ipotesi sullo svolgimento dei fenomeni, mettere a confronto queste ipotesi con i risultati di opportune misure quantitative.

Questo metodo, in seguito esteso e articolato, è oggi lo strumento cardinale dell'"indagine scientifica", cioè della costruzione e sistematizzazione della conoscenza scientifica. E' il metodo sperimentale che ha consentito alla scienza di prevedere il comportamento di numerosi sistemi fisici.

Grazie al metodo sperimentale, che consiste nei passaggi seguenti, si passò all'enunciazione delle leggi fisiche: 1. Raccolta delle informazioni; 2. Osservazione preliminare; 3. Scelta delle grandezze fisiche; 4. Ipotesi di lavoro; 5. Esperimenti ripetuti; 6. Deduzioni; 7. Sintesi; 8. Enunciazione della legge fisica

-Isocronismo

Le oscillazioni del pendolo, purché non siano troppo ampie, sono un fenomeno periodico molto regolare. Galileo scoprì questa proprietà del pendolo nel 1583, probabilmente osservando l'oscillazione di un lampadario nel duomo di Pisa. La durata di quelle lente oscillazioni, che misurò con il battito del polso, restava uguale, nonostante la loro ampiezza diminuisse sempre di più.

In particolare si rese conto che, se il pendolo viene spostato di qualche grado dalla verticale, la durata dell'oscillazione non dipende dall'ampiezza.

-La caduta dei gravi

La potenza del metodo sperimentale emerge in modo chiaro nello studio del moto di caduta dei gravi, che Galileo espone nell'opera Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica e i movimenti locali, pubblicata nel 1638.

Secondo la teoria di Aristotele, predominante nel periodo in cui Galileo viveva, la forza di gravità attrae i corpi verso il basso con una velocità che è direttamente proporzionale alla massa del corpo stesso. Ma Galileo era, giustamente, convinto che la resistenza dell'aria influenza in modo diverso due oggetti, che hanno dimensioni e forme diverse; ma dimostrarlo non era semplice. Egli iniziò enunciando l'ipotesi che nel corso della caduta un corpo aumenti la propria velocità in modo direttamente proporzionale agli istanti di tempo, cioè con accelerazione costante. Dal momento che i mezzi tecnici a sua disposizione non gli permettevano di misurare la velocità istantanea di un corpo egli non era in grado di verificare questa ipotesi in modo diretto. Allora dedusse matematicamente, partendo da quest'ipotesi, la legge secondo cui le distanze di caduta sono direttamente proporzionali al quadrato dei corrispondenti intervalli di tempo. Ma poiché la verifica diretta di questa legge gli era ancora impossibile, perché non poteva misurare con precisione piccoli intervalli di tempo, Galileo pensò di studiare la discesa di una sfera su un piano inclinato. Nell'opera citata in precedenza, Galileo racconta di aver verificato sperimentalmente la proporzionalità diretta tra ∆s e (∆t)² con diverse inclinazioni del piano inclinato. Da ciò egli, con un processo d'induzione, dichiara che anche il moto di caduta libera di un corpo segue la stessa legge.

-La dinamica

La dinamica è quella parte della meccanica che studia le cause del moto. Il suo scopo è determinare il moto di un oggetto quando si conoscono le forze che agiscono su di esso. Galileo contribuì alla scoperta dei fondamenti della dinamica:

Ø Il primo principio della dinamica (principio di inerzia) è composto da due affermazioni: (a) se la forza totale applicata su un punto materiale è uguale a zero, allora esso si muove a velocità costante; (b) se un punto materiale si muove a velocità costante, allora la forza totale che subisce è uguale a zero.

Ø Il secondo principio della dinamica (legge fondamentale delle dinamica) stabilisce che l'accelerazione di un punto materiale è, in ogni istante, direttamente proporzionale alla forza applicata; forza e accelerazione hanno sempre la stessa direzione e lo stesso verso. La costante di proporzionalità è la massa del corpo. F = ma

Ø Il terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione) afferma che quando un oggetto A esercita una forza su un oggetto B, anche B, a sua volta, esercita una forza su A. le due forze hanno la stessa intensità e direzione, e versi opposti.

Ø Il principio di relatività galileiana stabilisce che le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali che si muovono tra di loro di moto rettilineo uniforme.

Ø Le trasformazioni di Galileo permettono di determinare il comportamento di un sistema fisico in un particolare riferimento inerziale se si conoscono il movimento dello stesso sistema in un altro riferimento inerziale e il moto relativo dei due sistemi.