Dalla preistoria alle grandi civiltà

L'astronomia è una delle scienze più antiche di cui abbiamo testimonianza, come dimostrano i reperti più antichi che servivano a registrare fenomeni e a ritrarre aspetti del cielo (le ossa di Blanchard risalgono a 30.000 anni fa, le pitture rupestri nelle grotte di Lascaux risalgono a 20.000 anni fa). L'osservazione dei fenomeni celesti, il moto degli astri e il periodico ritorno delle stagioni erano necessari per popolazioni di cacciatori, agricoltori o naviganti. I culti e miti stellari avevano un posto fondamentale nelle religioni primitive, con l'osservazione e la registrazione di fenomeni periodici, mentre la comparsa di fenomeni eccezionali veniva interpretata come un presagio o il volere di esseri onnipotenti. Con le prime grandi civiltà in Mesopotamia, Egitto e Cina, nacquero cosmogonie mitiche, il cielo venne diviso in costellazioni e si svilupparono i calendari e la misura del tempo, legati alla comparsa e alla posizione degli astri. Nel I millennio a.C. nacque l'astrologia, che legava le previsioni di fenomeni terrestri a quello che accadeva in cielo, e questo stimolò la necessità di prevedere il movimento dei corpi celesti.

Dall'antica Grecia al periodo alessandrino 

Fin dal VI secolo a.C. i filosofi greci avevano iniziato ad indagare sulla natura come oggetto fisico. La sfericità della Terra fu riconosciuta da Anassimandro (600 a.C.), che per primo la pose sospesa e isolata nello spazio, e da Pitagora (520 a.C.), che sostenne l'esistenza di un fuoco centrale, sviluppò la teoria delle sfere armoniche e considerò il cielo perfetto e incorruttibile. Platone (427-347 a.C.) riprese le idee pitagoriche attuando una dicotomia tra il mondo sub-lunare imperfetto e il cielo perfetto, formato da un quinto elemento rispetto ai quattro elementi di Empedocle (fuoco, aria, acqua, terra). Inoltre Platone affermò che i moti celesti sono necessariamente circolari e questo divenne un dogma che verrà rispettato da tutti fino a Keplero.

Per Aristotele (382-322 a.C.) la sfericità della Terra era dimostrata dal bordo dell'eclisse di Luna; nella sua concezione cosmologica la Terra era il centro immobile dell'universo, tutti i corpi celesti le ruotavano intorno e il moto era provocato da un primum mobile. La filosofia naturale di Aristotele fornì una spiegazione plausibile per tutti i fenomeni naturali osservati e fu un riferimento autorevole per oltre mille anni. Come il suo maestro Platone, Aristotele considerava i corpi celesti formati da un quinto elemento (quintessenza) e soggetti a moti circolari perfetti ed eterni. La Terra occupava il luogo più in basso ed era naturale che un corpo pesante lasciato libero cadesse in terra.

Diverse fonti affermano che Aristarco di Samo (310-230 a.C.) sosteneva una teoria per la quale il Sole è immobile, le stelle sono lontanissime ed è la Terra a muoversi con un moto di rotazione e un moto di rivoluzione. Lo stesso Aristarco ideò un metodo per stimare le dimensioni e le distanze del Sole e della Luna, ma non riuscì ad applicarlo per mancanza di strumenti idonei. Nel III secolo a.C. vennero redatti i primi cataloghi stellari e le prime tavole dei moti dei pianeti. Il primo a misurare la dimensione della Terra fu Eratostene (276-194 a.C.), che sfruttando il fatto che il Sole è perpendicolare a Siene nel giorno del sostizio di estate, conoscendo la distanza da Alessandria ottenne un valore per il raggio terrestre pari a 6450 km.

Ipparco di Nicea (190-120 a.C.) fu il primo a misurare i moti di precessione degli equinozi e Tolomeo (100-175 d.C.) raccolse secoli di osservazioni per compilare la sua Sintassi matematica. Per risolvere il problema dei moti irregolari e talvolta retrogradi dei pianeti, Ipparco e Tolomeo fuono costretti ad aggiungere ai moti circolari una serie di deferenti ed epicicli, eccentrici ed equanti, rendendo il modello geocentrico molto complesso per rispettare il dogma del moto circolare.

Il Medioevo tra oriente e occidente

Gli arabi proseguirono le ricerche iniziate dei greci e conservarono l'Opera di Tolomeo dandole il nome di Almagesto (il più grande). Il modello tolemaico venne utilizzato in modelli matematici diversi, costruiti da sofisticati e complessi sistemi di sfere, tanto che Averroè (1126-1198), pur usandoli per calcolare le posizioni dei pianeti, dubitava che fossero realmente esistenti.

Nel medioevo vigeva una netta separazione tra le arti meccaniche e le arti liberali. Le arti liberali erano le nobili attività degli "uomini liberi", tradizionalmente suddivise nel trivio (grammatica, logica e retorica) e nel quadrivio (aritmetica, geometria, musica e astronomia), ed erano contrapposte alle arti meccaniche, attività manuali proprie dei servi e delle persone di livello inferiore. In un primo tempo le opere di Aristotele furono proibite dalla Chiesa, ma Tommaso d'Aquino (m 1274) interpretò il pensiero aristotelico in accordo con le Sacre Scritture e diede importanza allo studio e alla conoscenza delle cose celesti. La Chiesa sì schierò decisamente a favore dell'astronomia tolemaica e della fisica e cosmologia aristotelica, anche perché l'immobilità e la centralità della Terra sanciva la centralità dell'uomo nel progetto divino. In questo periodo si riaffermò l'astrologia per spiegare come i mutamenti del cielo causavano i mutamenti sulla Terra. Nella Divina Commedia di Dante Alighieri (1265-1321) si ritrova tutta l'astronomia e l'astrologia dell'epoca, mostrando quanto nella sua epoca la conoscenza del cielo fosse fondamentale.

Il Cinquecento: la crisi del modello tolemaico

Le critiche neoplatoniche alle antiche descrizioni cosmologiche portarono Niccolò Copernico (1473-1543) ad affermare che la Terra e i pianeti ruotano con orbite circolari intorno al Sole. Copernico era un ecclesiastico e non fu un rivoluzionario, tanto che non pubblicò mai la sua opera De Revolutionibus Orbium Coelestium, stampata solo alla sua morte con una prefazione che la definiva un'ipotesi matematica. La teoria copernicana risultava più semplice di quella tolemaica, visto che tutto era spiegato con il movimento della Terra e dei pianeti, ma Copernico non aveva abbandonato le orbite circolari e per questo motivo le previsioni del suo modello non furono migliori delle previsioni del modello tolemaico. La bolla di Sisto V del 1586 condannò esplicitamente l'astrologia.

Tycho Brahe (1546-1601) fu il più grande osservatore ad occhio nudo della storia dell'astronomia, perfezionò gli strumenti degli antichi e fece misure astrometriche di grandissima precisione. Tycho osservò la stella nova del 1572 e misurò accuratamente la posizione delle comete del 1572 e del 1577, rendendosi conto che dovevano essere oggetti più distanti della luna: tutto ciò contraddiceva l'affermazione di Aristotele che il mondo celeste fosse perfetto e immutabile! Dato che i modelli tolemaico e copernicano non si adattavano alle osservazioni, elaborò una teoria alternativa in cui la Terra era immobile al centro dell'Universo, il Sole le ruotava intorno, Mercurio e Venere ruotavano intorno al Sole gli altri pianeti si trovavano all'esterno, mantenendo la forma circolare delle orbite.

Il Seicento: la rivoluzione scientifica

A cavallo tra Cinquecento e Seicento Johannes Kepler (1571-1630) lavorò sui dati dei moti planetari raccolti pazientemente da Tycho Brahe. Dopo aver abbandonato il sistema tolemaico tentò nel Mysterium Cosmographicum (1596) di spiegare il moto dei pianeti ricercandone le ragioni fisiche e metafisiche, rappresentando le orbite dei pianeti come gusci sferici separati dai cinque poliedri regolari. Mentre cercava di accordare la teoria con i dati osservativi di Tycho sul pianeta Marte, Keplero abbandonò il dogma del moto circolare, scoprendo che le orbite dei pianeti sono ellittiche e che i pianeti aumentano la loro velocità quando sono più vicini al Sole (legge delle aree). Nel 1609 terminò di scrivere la Nova Astronomia, ma le sue opere erano di difficile lettura e intrise di misticismo e le sue intuizioni divennero le tre leggi scientifiche che portano il suo nome solo dopo che vennero utilizzate da Newton.

Nel 1609 Galileo Galilei (1564-1642) fece le prime osservazioni astronomiche con uno strumento a lenti autocostruito (da lui chiamato perspicillum) con il quale fece una serie di scoperte decisive per abbattere i dogmi del sistema tolemaico e della fisica aristotelica. Infatti colse i dettagli della superficie lunare, risolse in stelle la Via Lattea, vide per primo i quattro satelliti di Giove e due strani satelliti di Saturno (in verità erano degli anelli ma non erano distinguibili), osservò le macchie solari e le fasi di Venere. Con le sue opere Sidereus Nuncius, Saggiatore e Dialogo sopra i due massimi sistemi diffuse e difese strenuamente il sistema copernicano finché venne processato come eretico. Esiliato ad Arcetri, Galileo scrisse Discorsi e dimostrazioni intorno a due nuove scienze (1638), in cui si abbandonava la concezione aristotelica tradizionale del movimento che ha bisogno di un motore che lo produca e lo conservi. Applicando il metodo sperimentale vennero formulati in modo moderno il principio di inerzia e la legge di caduta dei gravi.

La rivoluzione scientifica del Seicento venne portata a compimento da Isaac Newton (1642-1727), che presentò in linguaggio matematico i principi della fisica nella sua opera Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687). Con la legge di gravitazione universale e le leggi della dinamica venivano descritti contemporaneamente i fenomeni naturali osservati nel cielo (il moto dei pianeti intorno al Sole) e sulla Terrra (la caduta dei corpi verso la superficie) in un'unica teoria che costituisce il fondamento della meccanica classica. Newton fece importanti scoperte di ottica e la sua teoria corpuscolare della luce prevalse sulla teoria ondulatoria formulata da Christiaan Huygens (1629-1695). Newton fu il primo a capire che la luce bianca non è altro che la somma delle diverse componenti cromatiche della luce solare: quando un fascio di luce diffusa da un prisma viene proiettato su una parete si ottiene una banda colorata dal violetto al rosso, detta spettro (dal latino spectrum, che significa "immagine, visione").

Il Settecento: la meccanica celeste

Per tutto il Settecento l'astronomia si dedicò alla descrizione dei moti celesti e sulle loro cause, senza poter dire nulla della fisica degli astri celesti, vista l'impossibilità di fare esperimenti.  Leonhard Euler (1707-1783) e Luigi Lagrange (1736-1813) svilupparono i metodi matematici della meccanica analitica e nel 1728 James Bradley (1693-1792) scoprì il fenomeno dell'aberrazione annua, lo spostamento apparente della posizione delle stelle causato dal moto di rivoluzione della Terra e dalla velocità finita della luce.

La costruzione di grandi telescopi a specchio permise di misurare le posizioni degli astri in modo accurato e di realizzare atlanti celesti e tavole astronomiche. Tra il 1774 e il 1781 Charles Messier (1730-1817) compilò un catalogo di un centinaio di oggetti nebulari dalla natura sconosciuta, registrandoli per non confonderli con le comete la cui ricerca era il suo interesse principale. Nel 1781 il musicista e astronomo William Herschel (1738-1822) inizio a costruire da solo grandi telescopi, grazie ai quali scoprì il pianeta Urano e alcuni satelliti di Saturno e Urano. Scopri i raggi infrarossi e fu il primo a fare una stima del numero delle stelle e della forma tridimensionale della Via Lattea. 

L'Ottocento: la nascita dell'astrofisica

Ad inizio Ottocento, l'opinione che l'astronomia coincidesse con lo studio della posizione e del movimento dei pianeti era diffusa anche tra gli astronomi. Nel 1838 Friedrich Bessel (1784-1846) fu il primo a misurare la distanza di una stella con il metodo della parallasse (spostamento apparente della posizione di una stella osservata da punti diversi dell'orbita terrestre).

In questo secolo nasce l'astronomia fisica, che diventerà la colonna portante dell'astronomia. Nel 1817 Joseph von Fraunhofer (1787-1826) aveva misurato oltre 500 righe di assorbimento nello spettro del Sole e numerosi scienzati si resero conto che era possibile conoscere la composizione chimica del Sole e delle stelle. Kirchhoff fondò le basi dell'analisi chimica dei corpi tramite la spettroscopia e Janssen nel 1868 scoprì nello spettro della cromosfera solare un nuovo elemento che venne chiamato elio. Con le leggi della radiazione di Ludwig Boltzmann (1844-1906) e Wilhelm Wien (1864-1928) si ottenne la stima della temperatura superficiale del Sole e delle stelle, anche se non si era in grado di comprendere l'origine delle'energia del Sole e delle stelle.

Contemporaneamente gli scienziati continuavano a rendere sempre più accurata la misurazione del Cosmo. Nel 1846 Johann Gotfried Galle (1810-1910) grazie ai calcoli di Urbain Le Verrier (1811-1877) applicando le leggi della meccanica celeste alle perturbazioni di Urano, osservò per primo il pianeta Nettuno. Nel 1859 James Maxwell (1831-1879) aveva enunciato in un'unica teoria le leggi dei fenomeni elettrici e magnetici, fino ad allora ritenuti del tutto separati, e nelle sue formule entrava anche l'ottica, fino ad allora una branca isolata della fisica, dato che in presenza di fenomeni elettrici e magnetici c'era un fenomeno ondulatorio che si propagava nello spazio alla velocità della luce. La nascita della fotografia permise la realizzazione di mappe dettagliate del cielo. Anche se per le donne non c'erano prospettive di carriera astronomica, il direttore dell'osservatorio di Harvard Edward Charles Pickering (1846-1919) aveva assunto molte donne per la compilazione del catalogo Draper. Tra di esse Annie Jump Cannon (1863-1941) propose un metodo di catalogazione stellare in classi spettrali indicate con lettere maiuscole (O B A F G K M), mentre Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) stabilì una relazione tra il periodo di pulsazione delle Cefeidi e la loro luminosità, permettendo il calcolo della distanza di oggetti extragalattici.

Il Novecento: l'astrofisica moderna svela età e dimensioni dell'Universo

All'inizio del Novecento, quando molti scienziati credevano che la fisica fosse giunta ai suoi limiti estremi, ci si accorse che le teorie elettromagnetiche, la fisica atomica e altri fenomeni quali la radioattività non si accordavano con la meccanica classica. Nacquero così la teoria della relatività di Albert Eistein (1879-1955), che oltre a spiegare l'effetto fotoelettrico introduceva il concetto di fotone e avrebbe rivoluzionato il concetto di spazio e di tempo, la teoria dei quanti di Max Planck (1858-1947), che per spiegare la distribuzione della radiazione di corpo nero introdusse l'ipotesi che l'energia potesse essere scambiata solo in pacchetti discreti, e il modello atomico di Niels Bohr (1885-1662), che risolse il problema della stabilità del modello atomico stabilendo che l'elettrone si può trovare solo in orbite corrispondenti ad una determinata energia.

Quando ci si accorse che il modello di Bohr non funzionava per gli atomi complessi, Schrödinger (1926) introdusse il concetto di probabilità di trovarlo in una determinata regione dello spazio e Heisenberg stabilì con il principio di indeterminazione (1927) che a livello atomico è impossibile misurare contemporaneamente posizione e velocità di qualunque particella! In pochi decenni fisici e astronomi avrebbero dovuto abbandonare l'antico sogno di un Universo pensato come un prefetto orologio! Paul Dirac (1902-1984) previde l'esistenza dell'antimateria e la fisica atomica progredì con la scoperta della fissione nucleare e lo studio delle interazioni forti e deboli, che con la gravitazione e l'elettromagnetismo costituiscono le quattro forze fondamentali della natura. La costruzione di acceleratori di particelle ad alta energia ha permesso di scoprire nuove particelle subatomiche e di indagare sempre più a fondo sui costituenti ultimi della materia.

In astronomia il grande dibattito sulla natura delle Galassie e l'osservazione degli spetti delle nebulose dimostrò che l'estensione dell'Universo era su scale enormi rispetto a quanto si conosceva. Nel 1921 Aleksandr Friedman (1888-1925) trovò una soluzione alle equazioni di Einstein che implicava l'espansione dell'Universo, collegata al rapporto tra la densità di materia dell'Universo e la densità critica. Osservando lo spettro di galassie contenenti cefeidi, delle quali si conosceva la distanza, nel 1929 Edwin Hubble (1889-1953) scoprì grazie all'effetto Doppler che la velocità di allontanamento delle galassie è proporzionale alla distanza. Nel 1948 George Gamow (1904-1968) formulò la teoria α β γ di un Universo iniziale molto denso e molto caldo, poi conosciuta come teoria del Big Bang. La teoria spiegava l'allontanamento delle Galassie e l'abbondanza chimica degli elementi e venne verificata sperimentalmente con la scoperta della radiazione cosmica di fondo, l'immagine più antica dell'universo che riusciamo ad osservare. Infatti nel 1965 Penzias e Wilson hanno scoperto un segnale uniforme proveniente dallo spazio, un fondo cosmico a microonde che ha una perfetta curva di corpo nero e corrisponde alla radiazione prevista da Gamow.

Nella seconda metà del Novecento iniziava l'era spaziale, con i primi satelliti artificiali lanciati nello spazio, il lancio di missioni spaziali verso i pianeti terrestri e verso il Sole, il lancio di sonde verso i pianeti esterni e oltre i confini del Sistema solare, l'esplorazione dei pianeti e sbarco sulla Luna. Contemporaneamente l'ottica astronomica è diventata l'osservazione in tutte le bande dello spettro elettromagnetico, aumentando la comprensione dei fenomeni astrofisici.

Gli anni duemila: verso il futuro

Strumenti di calcolo sofisticati, satelliti astronomici e telescopi spaziali hanno dilatato i confini e la comprensione dell'Universo osservabile e della sua natura. Il cosmo viene utilizzato per realizzare esperimenti in condizioni di energie, densità e temperature impensabili sulla Terra, ma esistono ancora tanti misteri da scoprire. L'uomo nell'antichità era convinto che la Terra fosse al centro dell'Universo. Poi la scienza ci ha insegnato via via che siamo su un piccolo pianeta in orbita intorno ad una piccola stella in rotazione alla periferia di una comune galassia appartenente ad uno dei tanti ammassi di galassie distribuiti in uno spazio vuoto. Sappiamo che l'Universo ha un'età di circa 13.7 miliardi di anni e che il suo diametro osservabile per effetto dell'espansione è di oltre 90 miliardi di anni luce, ma non sappiamo cosa si trova al di là dei confini e non sappiamo la natura della materia oscura e dell'energia oscura che costituiscono la maggior parte della densità totale dell'Universo. E chissà quante cose conosceremo nel futuro e quanti nuovi misteri sorgeranno ancora.