Universo - De historia mundi

Andrea Autiero

Liceo scientifico “Lorenzo Mascheroni” – 5^ I

Anno scolastico 2008-2009 1

Indice

2 Introduzione

3 I La cosmologia primitiva

Cosmologia egizia, 3 – Cosmologia Maya, 3

5 II L’antico universo a 2 sfere

Platone, 6 – L’universo nel pensiero aristotelico, 6 – La cosmologia romana, 8 - Somnium Scipionis,

8 – La rivoluzione Tolemaica, 8

10 III La nascita della cosmologia scientifica

Il cristianesimo e l’astronomia, 10 - La cosmologia teologica di Dante, 10 – La rivoluzione

Copernicana, 11 – L’evoluzione del pensiero Copernicano, 13 – Johannes Kepler, 13 – Galileo

Galilei, 15 – Isaac Newton, 16 – La materia nell’universo di Newton, 16

17 IV Albert Einstein: il fondatore della cosmologia moderna

19 V Verso l’Universo in espansione

Le equazioni di Friedmann, 19 - La legge di Hubble, 19

21 VI Il modello standard dell’Universo

Dal Big Bang al modello standard, 21 – Lucrezio: una primordiale teoria del Big Bang, 22 – Prove a

favore del Big Bang, 23

24 VII Il futuro dell’Universo

26 Glossario

28 Bibliografia

4 2

Introduzione

L’origine e l’evoluzione dell’universo sono l’oggetto di studio della cosmologia. Questa disciplina ha origini antiche: da quando l’uomo ha conquistato la facoltà di formulare pensieri in termini astratti ha cominciato a riflettere, oltre che sulla propria natura, anche su quella del mondo che la circonda. L’immagine dell’universo antico si basava sulla visione religiosa (le informazioni sovente sono ricavate dalle narrazioni che riguardano la cosmogonia) e filosofica della realtà, senza la preoccupazione di suffragare le teorie con dati scientifici.

Questa tesina ha proprio lo scopo di dimostrare, ricostruendo la storia della cosmologia fino a oggi, come le teorie dell’universo da filosofico-teologiche siano diventate puramente matematiche e scientifiche. L’analisi delle teorie cosmologiche comincia con quelle dei primi popoli civilizzati, per i quali il mondo si riduceva alle poche regioni da loro conosciute. In questi modelli cosmologici le divinità ebbero il ruolo fondamentale di creare e governare l’universo mantenendolo in armonia.

Nella civiltà occidentale e in particolare grazie ai greci, attraverso l’opera di Platone e Aristotele, e i romani, in conseguenza dell’espansione dell’impero romano e a partire da Cicerone, le dimensioni dell’universo aumentarono notevolmente e fece la sua comparsa il modello di universo a due sfere che, nonostante cercasse di dare una descrizione qualitativa e meccanica del cosmo, ricorse nuovamente alla divinità, che non si identificava con il dio creatore delle religioni monoteiste ma manteneva solo l’ordine nel cosmo, per spiegare il moto dei corpi celesti.

Solo nel I secolo d.C. con l’“Almagesto” di Tolomeo si diede un’impostazione matematica e meno filosofica all’universo a due sfere. Tuttavia tale soluzione risultò alquanto complessa in quanto ricorreva a sistemi di epicicli e deferenti per spiegare il moto dei corpi celesti e di conseguenza non permise di risolvere la questione sui pianeti che era sorta.

L’avvento del cristianesimo ebbe risvolti notevoli sull’astronomia, che fu apertamente ostracizzata dai padri della Chiesa, in nome delle Sacre Scritture, e fu dunque la causa della sua temporanea decadenza. Solo nel XII secolo la Chiesa, che ormai aveva assunto pieno potere spirituale, diede nuovamente importanza all’astronomia, adottando il modello di universo tolemaico anche se reinterpretato in chiave cristiana.

Nel XIII secolo fu Dante Alighieri con la “Divina Commedia” a fornire una descrizione esaustiva dell’universo antropocentrico e teologico della Chiesa. Infatti secondo tale istituzione Dio era la causa di tutto il creato e dell’ordine del cosmo e l’uomo aveva una posizione di privilegio nell’universo datagli dalla collocazione della Terra nel suo centro.

La svolta che portò a un’impostazione scientifica della cosmologia fu nel XVI secolo la rivoluzione copernicana che fu avviata da Copernico, con il “De Revolutionibus Orbium Caelestium” e diede inizio alle teorie eliocentriche dell’universo. Fu conclusa dalle scoperte innovative di Kepler, che formulò le tre leggi del moto dei pianeti, Galileo, che osservando il cielo con il telescopio fornì una visione nuova dell’universo, e Newton, che formulò la legge della gravitazione universale.

Il modello di universo newtoniano rimase invariato fino al XX secolo quando Einstein, con il principio della relatività generale, formulò le equazioni della gravitazione risolvendo i difetti della teoria di Newton. Inoltre Einstein ipotizzò basandosi sulla sua teoria che l’universo fosse statico, finito ma illimitato e che avesse la forma di un’ipersfera.

Basandosi sulle scoperte di Einstein de Sitter, Friedmann e Hubble arrivarono alla concezione di universo in espansione e quindi alla sua concezione attuale. Questa trattazione della storia della cosmologia si conclude con l’analisi delle possibili evoluzioni del nostro universo nel futuro. 3

I

La cosmologia primitiva

L’osservazione del cielo da parte dell’uomo ha le sue radici nel periodo Neolitico (4000-3000 a.C.) in cui diviene sedentario e inizia ad avvertire la necessità di individuare un sistema in grado di predire i tempi migliori per la semina e per il raccolto.

I primi popoli civilizzati, tra i quali i Sumeri e i Babilonesi sfruttarono le loro grandi conoscenze matematiche per determinare in modo empirico la posizione degli astri e i loro moti e orientarono i luoghi di culto e le città in modo che rispecchiassero la disposizione del cielo e facilitassero le osservazioni (questo metodo è stato utilizzato poi anche per la costruzione delle chiese cristiane).

Sono state registrate numerose osservazioni risalenti a questo periodo del moto della Luna, in particolare le sue posizioni del sorgere e del tramontare, e dei pianeti più interni Mercurio e Venere. Tuttavia non applicarono lo stesso rigore scientifico nell’elaborazione dei loro modelli cosmologici nei quali prevalse maggiormente un’impostazione mistico-religiosa e l’influenza delle loro conoscenze del mondo.

Tali caratteristiche si evincono in particolare nella cosmologia egizia e in quella maya.

Cosmologia egizia

L’universo degli egizi era modellato sulla base del mondo da loro esplorato che era limitato alle fertili regioni del Nilo. La Terra era rappresentata come un piatto bislungo avente la dimensione maggiore parallela al Nilo, il fondo piano che corrispondeva al bacino alluvionale che delimitava la zona da loro abitata, e il bordo increspato simbolo delle montagne che limitavano il mondo terrestre.

Al di sopra della Terra c’era l’aria, considerata essa stessa una divinità, che reggeva un piatto capovolto a cupola che costituiva il cielo. Infine il piatto terrestre era sorretto dall’acqua, che era un’altra divinità, che a sua volta posava sopra un piatto che limitava simmetricamente l’universo dal di sotto.

La natura religiosa di tale sistema infine era evidenziata dal carattere divino attribuito alle stelle, fissate sulla volta celeste, e dal Sole, identificato come Ra, la principale divinità egizia, e il cui moto era spiegato teorizzando che viaggiasse a bordo di due imbarcazioni: una per il suo viaggio diurno attraverso l’aria e l’altra per il suo viaggio notturno attraverso l’acqua.

Cosmologia maya

Fortemente religiosa era anche l’impostazione data dai Maya al loro universo. Gli unici autorizzati alla pratica dell’astronomia erano i sacerdoti, le cui principali indicazioni sono racchiuse nella Bibbia Maya il Popol Vuh.

Il cosmo dei Maya era di tipo gerarchico ed era suddiviso in tre livelli. Il primo era quello del cielo chiamato Chan (serpente), in quanto rappresentato come un serpente a due teste, ed era suddiviso in tredici strati, ognuno dei quali era presieduto da uno degli dei Oxlahuntiku, gli dei del giorno (nel tredicesimo strato risiedeva il dio creatore Ometeotl con l’uccello sacro Muan).

Inoltre in ogni strato era libero di muoversi un corpo celeste e, in particolare, la Luna occupava lo strato immediatamente superiore alla Terra mentre il Sole era posto più in alto. Il cielo infine era sostenuto da quattro divinità chiamate bacab (i portatori del mondo), ad ognuno dei quali era associato il colore del punto cardinale corrispondente, e da quattro alberi ceiba.

Il secondo livello, la Terra, era collegato al cielo dalla Via Lattea, definita “axis mundi” in quanto individuava il punto in cui intersecava l’eclittica tra la costellazione dei Gemelli e quella di Orione. La Terra aveva forma piatta ed era divisa in quattro quadranti diretti verso i punti cardinali.

Dalla Terra si accedeva al terzo livello, l’inframondo o Xialba, tramite le caverne, le fonti e tutte quelle conformazioni geografiche che portavano verso l’interno della Terra. Lo Xialba era il regno dei morti e nella sua parte più bassa, il Mintal, regnava il dio della morte Yum Cimil.

Tale livello era infine diviso in nove strati presieduti dagli dei della notte, i Bolomtiku (i Maya credevano che lo Xialba potesse essere il cielo notturno e che il Sole ogni notte lo attraversasse in forma scheletrica). 4

Dal confronto tra le cosmologie di queste due popolazioni, sviluppatesi in regioni della Terra distanti tra loro e mai venute a contatto, si evince che su tutto il globo le prime teorie sulla struttura del cosmo vertevano prevalentemente su tematiche religiose. 5

II

L’antico universo a due sfere

La tradizione per cui dettagliate osservazioni astronomiche potessero fornire le guide principali del pensiero cosmologico nasceva con la civiltà occidentale e in particolare con quella greca.

Infatti, a differenza delle prime civiltà che si dedicarono all’osservazione del cielo solo per fini pratici legati all’agricoltura ma senza ricavare informazioni rilevanti sul moto e l’aspetto dei corpi celesti, nella nuova astronomia questo secondo aspetto diventava l’obiettivo principale.

Ciò è testimoniato da un frammento del pensiero di Anassimandro di Mileto del VI secolo a.C. in cui con soluzioni alquanto rudimentali ma efficaci descrisse le stelle come “porzioni d’aria compressa, a forma di ruote che girano riempite di fuoco, ed emettono fiamme in qualche punto da piccole aperture” e il Sole come “un disco ventotto volte più grande della Terra simile a una ruota di un cocchio, il cui cerchio sia cavo e pieno di fuoco, e fa sprigionare fuoco da un certo punto di questo attraverso un’apertura simile al becco di un soffietto”.

Caratteristica delle nuove cosmologie sarà dunque una notevole riduzione degli elementi religiosi per lasciare spazio a una visione più scientifica dell’universo e legata a meccanismi ben noti sulla Terra.

A partire dal IV secolo a.C. il modello su cui si baseranno astronomi e filosofi fino alla rivoluzione copernicana, seppur con qualche modifica apportata da ogni pensatore, sarà quello dell’universo a due sfere.

In tale sistema la Terra, che ha forma sferica, era sospesa e ferma nel centro geometrico di una sfera più grande che ruotava verso occidente attorno al proprio asse NS e sulla quale erano incastonate le stelle fisse. Un ulteriore fine di questo sistema era dunque descrivere i circoli quotidiani delle stelle basandosi sul moto della sfera celeste.

Nella figura CC, II e OE rappresentano i circoli quotidiani di alcune stelle che si sono poste sulla sfera. I circoli più in alto e più in basso incontrano in un solo punto l’orizzonte (N per il circolo CC e S per quello II). In tale sistema i pianeti si muovono in circoli aventi la Terra come centro e compresi tra quest’ultima e la sfera delle stelle fisse. Tuttavia tale sistema non è in grado di dare una spiegazione delle irregolarità dei loro moti.

1 Thomas S. Khun, La rivoluzione copernicana, Venezia 1999, Piccola Biblioteca Einaudi, pag. 35 6

Platone

A porre le basi del nuovo pensiero occidentale e dell’astronomia nel IV secolo a.C. fu Platone (427-347 a.C.), allievo di Socrate e maestro di Aristotele, il quale, basandosi sul modello di universo a due sfere (in particolare per la sfericità della Terra) narrava nel “Fedro” (420-410 a.C.) e nella “Politeia” (390-360 a.C.) la sua visione del mondo e, infine, nel “Timeo” (360 a.C.), scritto nella sua vecchiaia, riportava, servendosi di un mito, la storia dell’origine dell’universo.

Secondo il filosofo greco il mondo inizialmente era solo disordine e caos e aveva le sembianze di un’immensa stoffa senza forma (la chora). Tuttavia tale disordine era in contrasto con l’ordine del mondo delle idee, illuminato dal Bene che aveva carattere divino ed era definito “la causa universale di tutto ciò che è buono e bello”, e dunque intervenne il demiurgo (tale idea di dio era differente da quella delle religioni monoteiste di un Dio personale e creatore), un divino artefice, che, tenendo a modello l’idea dei solidi regolari, trasformò il caos in un armonioso organismo dotato di anima che avvolgeva il mondo ed era invisibile.

Da ciò emerge come l’universo di Platone fosse omogeneo e geometrizzato in quanto immagine del mondo delle idee. Infatti Platone distingueva questo primo mondo, perfetto e immutabile e posto nella zona sopraceleste dell’Iperuranio, da quello delle cose che, imperfetto e mutevole, era sua espressione visibile.

Infine nel “Timeo” Platone fece un’analisi anche del cielo collocandovi gli astri. Questi, posti intorno al mondo sensibile, avevano un moto regolare e circolare, simbolo della loro perfezione e immutabilità, ed erano definiti divinità visibili e sede dell’anima dell’uomo (questa particolare connotazione degli astri data da Platone ha portato a parlare di religione astrale).

Il cosmo di Platone non aveva pertanto valenza puramente scientifica, come sottolineato dall’autore stesso che parlava del suo modello come “descrizione altamente probabile”. È evidente ancora il ricorso alla divinità per spiegare fenomeni che all’epoca apparivano astrusi quali il moto degli astri e la loro natura.

L’universo nel pensiero aristotelico

Aristotele (Stagira, 384 a.C. – Calcide, 322 a.C.), conosciuto anche come il “filosofo dell’immanenza”, fu il più illustre filosofo di età Ellenica oltre che innovatore in svariati campi della conoscenza. Il suo pensiero, in particolare in campo astronomico, ebbe larga influenza su numerosi intellettuali delle epoche successive.

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Aristotele nel “De Caelo” elaborò la versione definitiva dell’universo a due sfere che fu poi tramandata, seppure con qualche modifica apportata da Tolomeo, e ritenuta come veritiera fino al XVI secolo.

Nonostante ciò fu frequente in Aristotele il ricorso a teorie fantasiose quali quelle del moto delle sfere celesti e il carattere divino attribuito, come fece il suo maestro Platone, ai corpi celesti.

Per Aristotele il cosmo era contenuto entro la superficie esterna della sfera delle stelle e dunque si autoconteneva ed era autosufficiente “non in quanto al di fuori di esso c’è né luogo, né vuoto, né tempo e il solo pensare che vi sia qualcosa non è ammissibile”.

L’interno del suo modello si presentava come compatto e ordinato e dunque senza spazi vuoti in quanto come dichiara nella sua opera “La Fisica” (213 a.C.-34 d.C.) “non esiste entità alcuna dotata di dimensioni che non sia di sostanze materiali”.

Da questo legame tra materia e spazio deriva che l’universo aristotelico fosse finito e unico in quanto uno spazio infinito non ha centro e dunque non esiste alcun “luogo naturale”.

Basandosi sulla “teoria dei luoghi naturali” (ogni elemento ha un suo posto preciso e naturale nell’universo) Aristotele pose la Terra, corpo sferico e immobile (secondo Aristotele se la Terra girasse le nuvole sarebbero lasciate indietro dal suo moto e un oggetto lanciato in aria non ricadrebbe nello stesso punto), al centro del suo universo, essendo questa l’elemento più pesante.

Inoltre la Terra era la regione del mutamento e della corruzione in cui avvenivano cicli continui di distruzione e di nascita. La Terra era poi circondata dall’atmosfera sublunare che era composta da quattro elementi, fuoco, aria, acqua e terra, stabilizzati in quattro involucri concentrici, in cui il più interno era occupato dalla terra, l’elemento più pesante, mentre il più esterno dal fuoco, l’elemento più leggero, e che venivano mescolati tra loro dalle spinte provenienti dalla sfera della Luna, dando così origine alle diverse sostanze.

Oltre l’atmosfera sublunare vi erano le cinquantacinque sfere divine dei corpi celesti eterni e immutabili, costituite dall’etere, una sostanza incorruttibile, traslucida e luminosissima, e tra loro concentriche.

Il moto di queste sfere, che era perenne e circolare essendo il movimento più perfetto che ci fosse, era impresso dal “primo motore immobile”, cioè da Dio, sostanza immutabile ed eterna e causa finale di tutto l’universo, alla sfera più grande ed esterna che era quella delle stelle fisse e questo per reciproco contatto lo trasmetteva a tutte le altre sfere fino ad arrivare a quella della Luna che era la più piccola.

2 Thomas S. Khun, La rivoluzione copernicana, Venezia 1999, Piccola Biblioteca Einaudi, pag. 107 8

La cosmologia romana

Nei suoi primi secoli di vita la società romana si trovò a fronteggiare un forte ritardo tecnologico e culturale nei confronti della Grecia a causa del suo profondo spirito concreto e pragmatico che comportava una predilezione per il negotium all’otium filosofico.