Conquista dello spazio

Istituto di istruzione superiore

“Aldo Moro” – Liceo scientifico

Anno scolastico 2007-2008

La conquista dello spazio

«That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.» (Neil Armstrong)

Di Fabio Valesano

Classe V Bs

La conquista dello spazio

Indice

Teoria tolemaica ........................................................................................................................... pag. 2

Teoria copernicana ..................................................................................................................... pag. 3

Kant .............................................................................................................................................. pag. 5

Il neopositivismo ........................................................................................................................ pag. 10

Popper ........................................................................................................................................ pag. 11

La guerra fredda ......................................................................................................................... pag. 12

La Luna ...................................................................................................................................... pag. 27

Mercurio ..................................................................................................................................... pag. 31

Venere ........................................................................................................................................ pag. 34

Marte ......................................................................................................................................... pag. 41

La fascia degli asteroidi ............................................................................................................. pag. 46

Giove .......................................................................................................................................... pag. 47

Saturno ....................................................................................................................................... pag. 52

Urano .......................................................................................................................................... pag. 56

Nettuno ....................................................................................................................................... pag. 59

Plutone ....................................................................................................................................... pag. 63

Le sonde spaziali ........................................................................................................................ pag. 67

Generatore termoelettrico a radioisotopi .................................................................................... pag. 67

L’effetto fotoelettrico ................................................................................................................. pag. 68

Modulo fotovoltaico ................................................................................................................... pag. 69

Fionda gravitazionale ................................................................................................................. pag. 72

Fly-by ......................................................................................................................................... pag. 73

Come si costruisce una sonda spaziale? ..................................................................................... pag. 74

Il futuro dell’esplorazione spaziale ............................................................................................ pag. 76

Bibliografia e sitografia ............................................................................................................. pag. 79

Di Fabio Valesano 5 Bs pag. 1

La conquista dello spazio

Fin dai suoi primi anni di esistenza l'uomo ha sicuramente goduto dello spettacolo delle meraviglie del cielo. Tutte le popolazioni antiche, a partire dai Mesopotamici, osservando il cielo, si domandavano che cosa celasse e cosa rappresentassero le stelle, ma soltanto con i Greci furono formulate le prime teorie generali sull’Universo.

Teoria tolemaica

L’antica teoria geocentrica, nata nel IV secolo a.C. e perfezionata in seguito da Tolomeo nel II secolo d.C., aveva rappresentato il paradigma scientifico dominante per quasi duemila anni, anche se già nell’antichità erano comparse teorie alternative, come ad esempio quella eliocentrica di Aristarco di Samo (studioso alessandrino vissuto nel III secolo a.C.). La teoria tolemaica si basava su quattro ipotesi principali:

• La Terra si trova al centro dell'Universo;
• La Terra è fissa;
• Tutti gli astri ruotano intorno alla Terra;
• La velocità degli astri che si spostano sulle loro orbite circolari è costante, cioè uniforme.

La sua rappresentazione geometrica semplificata può avere la seguente forma: i pianeti si spostano uniformemente su traiettorie circolari dette epicicli, i cui centri descrivono a loro volta degli altri cerchi, detti deferenti, con la Terra, fissa, nel loro centro comune; invece il Sole e la Luna descrivono dei deferenti (senza epicicli) intorno alla Terra. Questi deferenti, come i deferenti e gli epicicli dei pianeti, giacciono all'interno di una sfera sulla cui superficie si trovano le stelle fisse.

Il moto diurno di tutti gli astri si spiega con la rotazione dell’Universo, come un tutto, intorno alla Terra fissa. I moti diretti e retrogradi dei pianeti erano compresi nel modo seguente.

Quando un pianeta giunge al punto A del suo epiciclo (fig. 1), la velocità angolare del suo moto, osservata dalla Terra fissa T, è data dal moto del centro dell'epiciclo sul deferente e dal moto del pianeta sull'epiciclo. In questa posizione il pianeta sembra spostarsi di moto diretto e con la massima velocità. Quando il pianeta è in B, si sposta sull'epiciclo nel senso opposto al moto del centro dell’epiciclo e la sua velocità angolare osservata dalla Terra è minima.

Fig. 1. Deferente ed epiciclo.

Se la velocità del pianeta sull’epiciclo è inferiore alla velocità del centro dell'epiciclo, il pianeta anche in questa posizione sembra spostarsi di moto diretto ma rallentato. Se la sua velocità sull'epiciclo è superiore alla velocità del centro dell'epiciclo, il pianeta sembra spostarsi di moto retrogrado. La teoria geocentrica, sulla quale si basava l’astronomia del tempo, forniva però un sistema astronomico tutt’altro che semplice ed esaustivo: in particolare, l’irregolarità dei moti planetari non trovava sufficienti spiegazioni all’interno della teoria tolemaica, anche se gli astronomi arabi, nel tentativo di perfezionare il sistema, avessero aggiunto nuovi

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La conquista dello spazio

Epicicli, per spiegare tali imprevedibilità, come per esempio i moti retrogradi dei pianeti: ad un certo punto del loro tragitto celeste, infatti, i pianeti sembrano “tornare indietro”, ripercorrendo il tracciato che si erano lasciati alle spalle. Oggi sappiamo che questo moto è del tutto apparente, dovuto al movimento irregolare della Terra, in alcuni periodi più veloce rispetto a quello dei pianeti che, in questo modo, sembrano arretrare o addirittura fermarsi. Esso aveva comunque raggiunto una discreta precisione (tanto da essere indubbiamente superiore, dal punto di vista sperimentale, al sistema eliocentrico proposto da Aristarco da Samo), ma al prezzo di una grande complessità.

Tuttavia le prove apportate nella tarda antichità e nel medioevo per sostenere il sistema geocentrico erano basate soprattutto su deduzioni da precetti teoretici e da testi sacri (Antico Testamento). Le divergenze fra la teoria e le osservazioni, che si presentavano via via che aumentava la precisione delle osservazioni, erano eliminate rendendo più complesso il sistema. Così, per esempio, certe irregolarità nei moti apparenti dei pianeti rivelate più tardi, si spiegavano aggiungendo altri epicicli, finché la posizione del pianeta sul cerchio dell'ultimo di essi si accordava circa con le osservazioni. Il sistema di Tolomeo permetteva, inoltre, non solo di spiegare i moti apparenti dei pianeti, ma anche di calcolarne le posizioni nel futuro, con una precisione sufficiente per le osservazioni realizzate ad occhio nudo.

Verso l'inizio del XVI secolo, il sistema di Tolomeo era divenuto così complesso che non poteva più bastare alle esigenze imposte all’astronomia dalla vita corrente, ed in primo luogo, dalla navigazione marittima. C'era bisogno di metodi più semplici per il calcolo delle posizioni dei pianeti e questi metodi sono stati creati dal grande scienziato polacco Niccolò Copernico che aveva gettato le basi di una nuova astronomia, senza le quali sarebbe impossibile l'esistenza stessa dell’astronomia moderna.

Teoria copernicana

Nella sua opera più conosciuta, “De Rivolutionibus Orbium Coelestium”, Nicolò Copernico (1473-1543) obietta contro l’ipotesi tolemaica dell’immobilità della Terra, proponendo una teoria eliocentrica.

Copernico attribuisce all’Universo forma sferica, al cui centro pone il Sole, immobile, mentre tutti gli altri pianeti, Terra compresa, ruotano attorno ad esso, disegnando orbite uniformi; inoltre stabilisce che la Terra ruota su se stessa e che la Luna ruota attorno alla Terra come satellite e, assieme ad essa, attorno al Sole; divide i pianeti allora conosciuti in pianeti interni (Mercurio e Venere) ed esterni (Marte, Giove, Saturno) e pone la Terra al terzo posto nello schema del sistema solare. La teoria eliocentrica spiega in maniera molto più semplice, rispetto alla teoria geocentrica, alcuni particolari incomprensibili dei moti celesti, risolvendo il problema dei moti retrogradi e dei punti stazionari dei pianeti, conseguenza del moto terrestre. Copernico è stato il primo a dare una descrizione esatta della struttura del Sistema solare, determinando le distanze relative fra i pianeti ed il Sole (in unità di distanza Terra-Sole) e calcolando i periodi della loro rotazione intorno al Sole. Le spiegazioni date da Copernico ai moti apparenti dei pianeti sono chiare e naturali ed in principio non contraddicono le nozioni moderne relative a questi fenomeni.

Tuttavia, il sistema copernicano conserva ancora una struttura ad epicicli, poiché il Copernico interpretava ancora i moti ellittici dei pianeti come moti circolari, pregiudizio che fu superato soltanto grazie alle scoperte dell’astronomo tedesco Keplero (1571-1630). Questi, grazie alle osservazioni eseguite in precedenza da Tycho Brahe, suo maestro, giunse a formulare le tre leggi sul moto dei pianeti, che contribuirono all’affermazione della teoria eliocentrica e permisero a Newton di dedurre la legge della gravitazione universale:

• I pianeti descrivono orbite ellittiche, di cui il Sole occupa uno dei fuochi;
• Le aree descritte dalla congiungente Sole - Pianeta sono proporzionali al tempo impiegato per descriverle, quindi la congiungente descrive aree uguali in tempi uguali;
• Il quadrato del periodo di rivoluzione di un Pianeta è proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell’orbita.

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Copernico intendeva la sua teoria come puro espediente matematico, per semplificare la teoria tolemaica, ritenuta troppo complicata; da questo punto di vista non poneva problemi al di fuori dello stretto ambito degli specialisti in calcoli astronomici.

Successivamente, nel 1609 Galileo comincia ad interessarsi ad un nuovo strumento, costruito in Olanda, il telescopio; dopo avergli apportato dei miglioramenti, ne presenta un esemplare, al quale dà il nome di "perspicillum". Con il nuovo strumento, Galileo osserva la Luna, scoprendo che non si trattava di una sfera perfetta come sosteneva Aristotele, ma che era formata da altipiani e da valli, e scopre quattro satelliti di Giove, che poi battezza Astri Medicei in onore di Cosimo II de' Medici, Gran Duca di Toscana. La scoperta di una sorta di mini sistema solare, come quello gioviano, comincia a minare alla base la teoria tolemaica del cosmo. Inoltre Galileo osserva, al telescopio, Saturno, senza riuscire a distinguerne gli anelli (ancora sconosciuti), e le fasi di Venere e le macchie solari. In seguito a queste nuove scoperte Galileo confutò, nel suo libro “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo”, la teoria tolemaica, adottata ufficialmente nel mondo scientifico e religioso dell'epoca, e conferma invece la teoria copernicana, causando l’intervento della Chiesa Cattolica tramite il tribunale dell’Inquisizione, il quale processò e condannò le tesi di Galilei, costringendo lo scienziato, nel 1633, all’abiura. Le contestazioni, data la natura del tribunale di carattere religioso e non scientifico, erano focalizzate su un famoso passo della Bibbia, dove Giosuè aveva pronunciato le parole "fermati o sole", confermando la teoria geocentrica. In effetti, l’argomentazione era debole: non fu difficile a Galilei rispondere che le parole della Bibbia non vanno prese in senso letterale, che si trattava di un modo di dire del tempo. In realtà i motivi erano ben altri: la teoria eliocentrica appariva molto meno conciliabile con la tradizione cristiana della centralità dell'uomo e della Divina Incarnazione, per questo fu aspramente contestata dalla Chiesa.

L’ultimo passo di questa rivoluzione scientifica del Seicento, iniziata con Copernico, viene posto da Newton, il quale unifica la fisica di Keplero con quella di Galileo, descrivendo la legge di gravitazione universale:

"Qualsiasi oggetto dell'Universo attrae ogni altro oggetto con una forza diretta lungo la linea che congiunge i baricentri dei due oggetti, di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza".

(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)

Ciò equivale alla seguente formulazione algebrica: ௠ ௠

భ మ

F = ܩ మ

௥

Dove: = modulo della forza gravitazionale intercorrente tra i corpi;

F = costante di gravitazione universale;

G = massa del primo corpo;

m

1 = massa del secondo corpo;

m

2

= modulo della distanza tra i due corpi.

r

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Kant

Kant accetta con entusiasmo le novità subentrate nella cultura moderna, cercando di dar loro una veste definitiva; quest'operazione egli la attuerà soprattutto con la scienza newtoniana: la filosofia di Kant è, infatti, per molti aspetti un tentativo di fondare filosoficamente la scienza di Newton.

Nell'attività letteraria di Kant si possono distinguere tre periodi. Nel primo, che va fino al 1760, prevale l'interesse per le scienze naturali. Nel secondo periodo, che va sino al 1781 (anno in cui fu pubblicata la Critica della ragion pura), prevale l'interesse filosofico e si determina l'orientamento verso l'empirismo inglese e il criticismo. Il terzo periodo, dal 1781 in poi e che vede in particolare la pubblicazione delle sue tre maggiori opere, ossia la Critica della ragion Pura, Critica della ragion Pratica e la Critica del Giudizio, è quello della filosofia trascendentale.

Nel primo periodo della sua vita, nel quale si occupa di scienza, viene a contatto con la filosofia illuminista, stabilendo un rapporto scientifico con l’illuminismo. Egli sostiene che la guida della nostra conoscenza sia la ragione e, dopo essersi confrontato con le teorie scettiche di Hume, capisce che il filosofo deve criticare la ragione, cioè deve trovare il fondamento della ragione umana e i suoi limiti, prima di andare alla ricerca delle conoscenze umane. La filosofia kantiana è, quindi, criticista: la prima cosa da fare è conoscere i limiti e le conoscenze, cioè i fondamenti dell’uomo, tramite un metodo scientifico. Il punto di partenza per conoscere i limiti e i fondamenti umani sono alcune certezze, innate dentro di noi, che permettono di costruire impressioni e immagazzinare dati: lo spazio e il tempo. Kant sostiene che l’uomo, in base alle certezze che possiede (spazio e tempo), inquadra ciò che gli arriva dallo spazio e lo interpreta; quindi si differisce dagli empiristi, i quali sostenevano che l’uomo fotografasse la realtà, senza inquadrarla e interpretarla, e da Hume, il quale sosteneva che non è detto che gli uomini siano in grado di immagazzinare i dati e conservarli per il futuro.

La critica della ragion pura

La sua prima grande opera, la critica della ragion pura (1781), è un’analisi critica dei fondamenti del sapere: egli intende definire quali siano le scienze e i loro elementi fondanti. Per fare ciò riprende le tre scienze teoretiche (matematica, fisica e metafisica) ponendo l’attenzione nelle differenze tra di esse: metafisica, matematica e fisica, infatti, apparivano molto diverse, poiché, mentre la prima, con il suo voler procedere oltre l’esperienza e con il suo fornire, nei vari filosofi, soluzioni antitetiche ai medesimi problemi, non aveva ancora trovato un cammino sicuro come la matematica e la fisica, le quali, grazie ai successi di Galileo e Newton apparivano un sapere fondato e in continuo progresso. In questo modo sostiene che la metafisica, a differenza delle altre due, non è una scienza, perché non si basa su qualcosa di dimostrabile, ma è una predisposizione naturale.

Per stabilire l’esistenza di una scienza si ricorre all’esperienza e ai giudizi sintetici a priori, per cui scienza = esperienza + giudizi sintetici a priori.

Di Fabio Valesano 5 Bs pag. 5

La conquista dello spazio