Rileggiamo il Sidereus Nuncius – I satelliti di Giove – Domenico Licchelli

Copertina_Rileggere-il-Sidereus-NunciusIn questo capitolo parleremo del Sidereus Nuncius, l’opera in cui il grande Galileo riporta le prime osservazioni eseguite con il suo perspicillum (cannocchiale). Descrive la Luna, la Via Lattea, le stelle, per concludere con la sua più importante scoperta: i satelliti di Giove. Per capire la genialità, l’entusiasmo e la freschezza del libro, ne estrarremo le parti più importanti (tradotte in italiano e scritte in corsivo); le accompagneremo con immagini riprese da telescopi moderni per mostrare la grande precisione delle osservazioni galileiane, eseguite con uno strumento oggi considerato “ridicolo”; inseriremo alcuni disegni originali; commenteremo passo dopo passo lo scritto del sommo pisano evidenziandone le conclusioni corrette (molte) e quelle errate (poche); quando necessario, aggiungeremo note più tecniche relative alle immagini. Sarà sicuramente una lettura entusiasmante e piena di sorprese, conosciuta da pochi e ricca di spunti di riflessione. Forse vi farà anche venire voglia di accostarvi maggiormente alla visione del Cielo …

Sidereus_Nuncius_1610.GalileoLa dedica
… Ecco dunque quattro stelle dedicate al vostro nome illustre, ma non scelte tra quelle fisse, numerose e servili, ma nella schiera dei pianeti. A voi ho riservato quelle che con movimento differente e veloce compiono l’orbita attorno a Giove, stella nobilissima, ed insieme ad essa, con mirabile concordia, compiono il giro intorno al centro del mondo, il Sole, in dodici anni. Quando le scoprii sotto i vostri auspici, serenissimo Cosimo, ancora ignote a tutti gli astronomi precedenti, con ragione decisi di insignirle con l’augusto nome della vostra Casa. Essendo stato io il primo ad averle studiate, chi mai potrà riprendermi se imporrò ad esse il nome di ASTRI MEDICEI? …
Anche Galileo doveva mangiare. Il suo dono al serenissimo Cosimo trasuda di rispetto, deferenza ed ossequio. E non dona al Signore di Firenze una “cosa” qualsiasi, ma “quelle che con movimento differente e veloce compiono l’orbita attorno a Giove, stella nobilissima …”. E’ ovvio: anche il suo dono deve essere nobile come chi lo riceve. E poi il finale: “chi mai potrà accusarmi di essere stato troppo generoso? I satelliti sono miei e ne faccio quello che voglio!” E’ quasi commovente l’umanità che se ne evince.

Le scoperte
… Grande cosa è stata aggiungere alla immensa moltitudine delle stelle fisse, visibili fino ad oggi ad occhio nudo, altre innumerevoli, mai prima osservate, il cui numero supera più di dieci volte quello delle conosciute …
… Bellissima e piacevole cosa è stato anche vedere il corpo della Luna, lontano da noi quasi sessanta raggi terrestri, così vicino come se si trovasse a soli due raggi. In tal modo il diametro di essa appariva trenta volte, la superficie novecento, ed il volume quasi ventisettemila volte più grande di quanto non si vedesse ad occhio nudo. Attraverso questa esperienza chiunque noterebbe che la Luna non è ricoperta da una superficie liscia e levigata, ma scabra ed ineguale e, proprio come la Terra, piena di sporgenze, cavità ed anfratti …
… Ma quello che supera ogni possibile meraviglia è stato aver scoperto quattro astri erranti, da nessuno mai visti precedentemente, che come Venere e Mercurio attorno al Sole, ruotano attorno ad un astro tra i più grandi conosciuti, ora precedendolo, ora inseguendolo, senza mai allontanarsene più di una breve distanza ben delimitata …”

Il cannocchiale
… Circa dieci mesi fa mi giunse notizia che un certo Fiammingo aveva costruito un “occhiale” attraverso il quale oggetti molto lontani e confusi si vedevano molto vicini e distinti. Questa cosa mi venne confermata dopo pochi giorni dal nobile francese Iacopo Badovere di Parigi. Ciò fu causa della mia disperata volontà di ottenere uno strumento analogo, che riuscii a costruire basandomi sulla teoria della rifrazione luminosa. Preparai un tubo di piombo alle cui estremità inserii due lenti, entrambe piane da una parte e dall’altra una convessa e una concava. Posto l’occhio dalla parte concava vidi gli oggetti tre volte più vicini e nove volte più grandi di quanto potessi fare ad occhio nudo. Poi ne costruii uno più accurato che mi permise di vedere gli oggetti ingranditi sessanta volte. Infine, senza risparmiare fatica e spese, riuscii a realizzare uno strumento eccezionale, con il quale arrivai a vedere le cose trenta volte più vicine e mille volte più grandi che viste ad occhio nudo …”

Questo esemplare è uno degli unici due cannocchiali esistenti certamente di Galileo. Rivestito in pelle con dorature impresse a caldo, lo strumento fu donato a Cosimo II subito dopo la pubblicazione del Sidereus Nuncius (19 marzo 1610). Vetro, legno, pelle; lunghezza 92 cm, diametro 6 cm Firenze, Istituto e Museo di Storia della Scienza

Questo esemplare è uno degli unici due cannocchiali esistenti certamente di Galileo. Rivestito in pelle con dorature impresse a caldo, lo strumento fu donato a Cosimo II subito dopo la pubblicazione del Sidereus Nuncius (19 marzo 1610). Vetro, legno, pelle; lunghezza 92 cm, diametro 6 cm Firenze, Istituto e Museo di Storia della Scienza

Anche se forse non fu proprio il primo a costruirlo, Galileo ama il suo gioiello quasi fisicamente. Sa che deve migliorarlo in tutti i modi e lo fa con grande fatica sia fisica che finanziaria.

I satelliti di Giove
… Descriverò adesso le osservazioni dei quattro PIANETI da me scoperti e mai visti prima d’ora dal principio del mondo e darò notizie delle loro posizioni, mutamenti, movimenti, invitando tutti gli astronomi a studiare e definire i loro periodi che finora non riuscii a stabilire per la limitatezza del tempo avuto a disposizione (due mesi soltanto). Ricordo però che per compiere queste osservazioni è necessario utilizzare un cannocchiale “esattissimo” come quello di cui parlai all’inizio …
Importantissimo brano per comprendere il carattere di Galileo e la sua emozione di fronte ad un nuovo Universo che gli si apre improvvisamente davanti agli occhi. Innanzitutto l’orgoglio non molto velato (“mai visti prima d’ora dall’inizio del mondo”), poi il suo caloroso invito a seguirlo nella conquista del Cosmo senza paure o remore (“invitando tutti gli astronomi”) ed infine la sua ammirazione per lo strumento da lui creato, ma anche la paura che le sue potenzialità non vengano adeguatamente comprese se riprodotto senza la necessaria abilità (“è necessario utilizzare un cannocchiale esattissimo”).”

La scoperta
“… Il giorno sette gennaio, dunque, dell’anno milleseicentodieci, a un’ora di notte, mentre col cannocchiale osservavo gli astri mi si presentò Giove; poiché avevo preparato uno strumento eccellente, vidi (e ciò prima non mi era accaduto per la debolezza dell’altro strumento) che intorno gli stavano tre stelle piccole ma luminosissime; sebbene le credessi fisse, mi destarono una certa meraviglia, perché apparivano disposte esattamente secondo una linea retta e parallela all’eclittica, e più splendenti delle altre di grandezza uguale alla loro. Esse e Giove erano in questo ordine:

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cioè due stelle erano ad oriente ed una ad occidente. La più orientale e l’occidentale apparivano un po’ maggiori dell’altra. Non mi curai minimamente della loro distanza da Giove, perché, come ho detto, le avevo credute fisse. Quando, non ne so nemmeno il motivo, mi rivolsi di nuovo alla medesima indagine il giorno otto, vidi una disposizione ben diversa: le tre stelle infatti erano tutte ad occidente rispetto a Giove, e più vicine tra loro che la notte antecedente e separate da eguali intervalli, come mostra il disegno seguente:

satelliti medicei-290708_2133TC’è da rimanere estasiati di fronte alla semplicità, il rigore, l’emozione che scaturisco da queste poche righe. Galileo si accorge di avere fatto una scoperta epocale, ma cerca di mantenere la calma e non rigetta subito l’ipotesi di trovarsi di fronte a delle stelle fisse (quindi niente di speciale) ma non può non esprimere il suo dubbio in proposito (“disposte esattamente lungo una linea retta e parallela all’eclittica”). Mente sicuramente quando dice: “non so nemmeno il motivo, mi rivolsi di nuovo alla stessa indagine…”. Sicuramente non vedeva l’ora di riosservare quelle strane stelle la notte dopo!

A questo punto vale la pena di fare una breve constatazione. Nel corso dei secoli sono state molte le speculazioni riguardo alle capacità osservative di Galilei. In particolare ci si è chiesti come mai le osservazioni dei satelliti medicei siano state tanto accurate mentre al contrario i disegni lunari mostravano una certa approssimazione. In realtà se si analizzano accuratamente le posizioni dei satelliti si scopre che anche queste osservazioni sono abbastanza approssimative. In diversi casi il Nostro non riuscì a vedere distinti i satelliti quando erano piuttosto vicini tra loro oppure quando qualcuno era alla massima elongazione dal pianeta. Queste limitazioni sono dovute ad almeno due grandi cause: lo scarso potere risolutivo del telescopio usato, dovuto sia al ridotto diametro, sia alle pesanti aberrazioni presenti nella lente principale e negli oculari, oltre che al modesto campo di vista. E’ facile verificare che con un moderno binocolo si riesce ad osservare una zona ampia diversi gradi, ma è sufficiente utilizzare un piccolo rifrattore a lunga focale per vederlo ridursi drasticamente. Inoltre un normale binocolo è oggi in genere di gran lunga più corretto dei cannocchiali galileiani per cui è difficile rendersi conto delle difficoltà incontrate dal grande scienziato pisano. Anzi, rileggere le sue descrizione e le sue considerazioni è tuttora uno straordinario esempio di grande Scienza ed in particolare di grandissime capacità osservative e deduttive.

satelliti Medicei-060808_2208Tsatelliti medicei-210708_2221TLo stupore
“… A questo punto, non pensando assolutamente allo spostamento delle stelle, cominciai a chiedermi in qual modo Giove si potesse trovare più ad oriente di quelle stelle fisse, quando il giorno prima era ad occidente rispetto a due di esse. Ed ebbi il dubbio che Giove si muovesse ben diversamente da quanto descritto dai calcoli astronomici, ed avesse col proprio moto oltrepassato le tre stelle. Per questo aspettai con grande ansia la notte successiva. Purtroppo il cielo coperto di nubi mi precluse l’osservazione. Ma il giorno dieci le stelle mi apparvero in questa posizione rispetto a Giove:

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cioè ve n’erano due soltanto, ed entrambe orientali: la terza, come immaginai subito, era nascosta da Giove.
Lo stupore c’è davvero. Ma non siamo del tutto sicuri che Galileo pensasse veramente ad un movimento imprevisto di Giove che avrebbe distrutto le teorie in cui credeva ciecamente. Sapeva già di trovarsi di fronte a qualcosa di nuovo ed aveva quasi paura della sua eccezionale scoperta. Voleva esserne sicuro e non illudersi troppo presto (di nuovo esce la sua grande freddezza e precisione), ma questa volta non riesce a nascondere l’impazienza di tornare al suo cannocchiale. Quando ci riesce non ha alcun problema a pensare subito che “la terza stella” non visibile sia nascosta dal pianeta. Aveva già capito tutto, ma aspettava la prova definitiva.

La spiegazione
“… Erano sempre lungo la stessa direzione rispetto a Giove, e lungo la linea dello Zodiaco. Quando mi accorsi di questo compresi che simili spostamenti non potevano in alcun modo essere attribuiti a Giove, sapendo inoltre che le stelle osservate erano sempre le stesse (non vi erano altre stelle di pari luminosità lungo un notevole tratto della linea dello Zodiaco, sia prima che dopo). Mutando la perplessità in meraviglia, compresi che l’apparente mutazione non era di Giove ma delle stelle da me scoperte; e per questo pensai di dovere da allora in poi osservare il fenomeno attentamente, scrupolosamente ed a lungo …
Ogni reticenza cade e la spiegazione fluisce senza tentennamenti. Probabilmente il cambiamento da “perplessità a meraviglia” era già avvenuto nel suo intimo. Riesplode l’orgoglio, più che giustificato: “la mutazione … era delle stelle da me scoperte”. E chi mai poteva dubitare che Galileo avesse già deciso di continuare a studiare il suo fenomeno con attenzione e per molto tempo?
… Dopo pochi giorni capii anche che le stelle che compivano i loro giri attorno a Giove non sono erano solo tre, ma quattro. Misurai anche le loro reciproche distanze, annotai tutte le ore delle osservazioni, soprattutto quando ne feci molte in una stessa notte. Infatti le rivoluzioni di questi pianeti sono così veloci che spesso si notano differenze anche orarie …
L’emozione e la gioia dell’uomo lasciano nuovamente il posto alla precisione, al rigore ed allo scrupolo dello scienziato.

satelliti medicei-120808_2214TLe conclusioni
… Queste sono le osservazioni dei quattro Astri Medicei da me scoperti recentemente e per la prima volta, sulle quali, pur non essendo ancora possibile dedurre i loro periodi, si deducono già importanti conclusioni. In primo luogo, poiché talvolta seguono e talvolta precedono Giove ad intervalli uguali e si allontanano da esso solo per un breve tratto, sia ad oriente che a occidente, accompagnandolo sia nel suo moto retrogrado che in quello diretto, a nessuno può nascer dubbio che non compiano attorno a Giove le loro rivoluzioni e, nello stesso tempo, effettuino tutti insieme il loro giro intorno al centro del mondo in un periodo di dodici anni ..”
La spiegazione è precisa, attenta ed esauriente, permeata nuovamente di orgoglio (“da me scoperti”). Ed alla fine quasi accusa di stupidità chiunque osi confutargli la sua interpretazione.

Una nuova visione dell’Universo
“… Notai anche che sono più veloci le rivoluzioni dei pianeti che descrivono orbite più strette intorno a Giove. infatti le stelle più vicine a Giove spesso si vedevano orientali mentre il giorno prima erano apparse occidentali, e viceversa, mentre invece il pianeta che descrive l’orbita maggiore, ad un accurato esame, mostrava aver periodo semimensile. Ho ottenuto quindi un valido ed eccellente argomento per togliere ogni dubbio a coloro che, accettando tranquillamente nel sistema di Copernico la rivoluzione dei pianeti intorno al Sole, sono ancora turbati dal fatto che solo la Luna giri intorno alla Terra, mentre entrambi compiono ogni anno la loro rivoluzione attorno al Sole, sì da ritenere per tale motivo che si debba rigettare come impossibile l’intera struttura eliocentrica dell’universo. Ora, infatti, non abbiamo un solo pianeta che gira intorno a un altro (la Luna attorno alla Terra) mentre entrambi percorrono la grande orbita intorno al Sole, ma ben quattro stelle erranti fanno lo stesso attorno a Giove ed insieme al grande pianeta, completano la loro ampia orbita attorno al Sole in un periodo di dodici anni …”
Galileo pone l’accento sulla parte fondamentale della sua scoperta, di valenza non solo scientifica. Non solo la Terra ha un satellite, ma anche Giove, ed addirittura quattro. Questo non solo distrugge definitivamente le vecchie teorie geocentriche, ma leva ogni dubbio a chi ancora tentennava vedendo che il nostro pianeta era il solo ad avere il privilegio di una Luna tutta sua. La breve descrizione e le ferme e chiare conclusioni di Galileo fanno nascere la nuova visione dell’Universo, che aprirà in breve le porte all’astrofisica moderna.

L’atmosfera di Giove
“…Ed infine non bisogna tacere il motivo per cui gli Astri Medicei sembrano talvolta più grandi del doppio, mentre compiono attorno a Giove le loro piccolissime rivoluzioni. Certo la causa non risiede nei vapori terrestri, perché mentre essi appaiono più grandi e più piccoli Giove e le vicine stelle fisse si vedono invece immutati. Ed è anche impossibile che si allontanino così tanto dalla Terra nel loro apogeo e tanto le si avvicinino nel loro perigeo da causare un tale cambiamento: una stretta rotazione circolare non può in alcun modo produrre un simile effetto. Dato che non solo la Terra ma anche la Luna è circondata da vapori, possiamo ragionevolmente credere che la stessa cosa avvenga sugli altri pianeti, e quindi accettare che vi sia un involucro più denso del rimanente etere anche attorno a Giove. I Pianeti Medicei, con l’interposizione di questo involucro più denso, all’apogeo sembrano minori, mentre al perigeo maggiori per la mancanza o quantomeno l’attenuazione dell’involucro stesso …”
Non tutto è esatto in questa spiegazione, soprattutto nel richiamo all’atmosfera della Luna. E’ esatto invece il ragionamento che esclude la componente atmosferica terrestre ed il fatto che le orbite dei satelliti medicei devono essere molto piccole attorno a Giove rispetto alla distanza dalla Terra.

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La reale atmosfera di Giove vista oggi con un telescopio di 21 cm di apertura. Le grandi bande equatoriali sono i dettagli più appariscenti del gigante gassoso; se osservate con telescopi di elevata qualità, soprattutto sotto cieli con ottima trasparenza, rilevano una messe di particolari (gli ovali, le bande equatoriali piuttosto movimentate, i festoni e la Grande Macchia Rossa) spesso notevolmente variabili anche su scale temporali relativamente corte.

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Preistorica ripresa acquisita con una banale webcam nell’ormai lontano 2004

giove Celestron 14" @ PGR Flea3.  Damian Peach

L’enorme salto qualitativo ottenuto grazie a ottiche specializzate, nuovi rivelatori, e sofisticate tecniche di elaborazione delle immagini. Celestron 14″ @ PGR Flea3.
Damian Peach

This NASA/ESA Hubble Space Telescope image shows a gorgeous close-up view of the planet Jupiter. Astronomers were using Hubble to monitor changes in Jupiter's immense Great Red Spot (GRS) storm. During the exposures, on 21 April 2014, the shadow of the Jovian moon Ganymede swept across the center of the GRS. Giving the giant planet the uncanny appearance of having a pupil in the center of a 16 000 kilometre wide eye.

This NASA/ESA Hubble Space Telescope image shows a gorgeous close-up view of the planet Jupiter.
Astronomers were using Hubble to monitor changes in Jupiter’s immense Great Red Spot (GRS) storm. During the exposures, on 21 April 2014, the shadow of the Jovian moon Ganymede swept across the center of the GRS. Giving the giant planet the uncanny appearance of having a pupil in the center of a 16 000 kilometre wide eye.

This "family portrait," a composite of the Jovian system, includes the edge of Jupiter with its Great Red Spot, and Jupiter's four largest moons, known as the Galilean satellites. From top to bottom, the moons shown are Io, Europa, Ganymede and Callisto. The Great Red Spot, a storm in Jupiter's atmosphere, is at least 300 years old. Winds blow counterclockwise around the Great Red Spot at about 400 kilometers per hour (250 miles per hour). The storm is larger than one Earth diameter from north to south, and more than two Earth diameters from east to west. In this oblique view, the Great Red Spot appears longer in the north-south direction. Europa, the smallest of the four moons, is about the size of Earth's moon, while Ganymede is the largest moon in the solar system. North is at the top of this composite picture in which the massive planet and its largest satellites have all been scaled to a common factor of 15 kilometers (9 miles) per picture element. The Solid State Imaging (CCD) system aboard NASA's Galileo spacecraft obtained the Jupiter, Io and Ganymede images in June 1996, while the Europa images were obtained in September 1996. Because Galileo focuses on high resolution imaging of regional areas on Callisto rather than global coverage, the portrait of Callisto is from the 1979 flyby of NASA's Voyager spacecraft.

This “family portrait,” a composite of the Jovian system, includes the edge of Jupiter with its Great Red Spot, and Jupiter’s four largest moons, known as the Galilean satellites. From top to bottom, the moons shown are Io, Europa, Ganymede and Callisto. The Great Red Spot, a storm in Jupiter’s atmosphere, is at least 300 years old. Winds blow counterclockwise around the Great Red Spot at about 400 kilometers per hour (250 miles per hour). The storm is larger than one Earth diameter from north to south, and more than two Earth diameters from east to west. In this oblique view, the Great Red Spot appears longer in the north-south direction. Europa, the smallest of the four moons, is about the size of Earth’s moon, while Ganymede is the largest moon in the solar system. North is at the top of this composite picture in which the massive planet and its largest satellites have all been scaled to a common factor of 15 kilometers (9 miles) per picture element. The Solid State Imaging (CCD) system aboard NASA’s Galileo spacecraft obtained the Jupiter, Io and Ganymede images in June 1996, while the Europa images were obtained in September 1996. Because Galileo focuses on high resolution imaging of regional areas on Callisto rather than global coverage, the portrait of Callisto is from the 1979 flyby of NASA’s Voyager spacecraft.

Conclusioni
Quale miglior regalo si poteva fare al proprio “mecenate”? Sicuramente Galileo non riusciva ancora a rendersi conto della po rtata immensa delle sue scoperte. Aveva definitivamente distrutto la visione stereotipata, immutabile e rigida dell’Universo ed aveva offerto al suo Signore ed alla conoscenza dell’uomo un bene inimmaginabile.
Le foto del presente capitolo sono state tutte eseguite da uno degli autori  attraverso strumentazione amatoriale. Eppure le immagini, sia per la moderna tecnologia sia per l’utilizzo di raffinate elaborazioni al computer, sono enormemente più nitide e precise delle lontane osservazioni galileiane. Ma cosa avrebbe saputo fare Galileo se fosse nato al giorno d’oggi?

Domenico Licchelli, Vincenzo Zappalà

Per saperne di più:

Astronomiæ Pars Optica – Livio Ruggiero

Breve storia dell’ottica (astronomica) antica, ma non solo

Giorgio Abetti nella sua Storia dell’Astronomia del 1949 scrive:

“La storia dell’Astronomia si può ordinare in grandi periodi legati alla storia e alla civiltà dei diversi popoli della terra, essi possono prendere il nome di astronomia antica, medioevale e moderna, intendendo che fra le ultime due ha avuto luogo una fondamentale riforma dopo la quale l’astronomia moderna in circa quattro secoli ha fatto, fino al giorno d’oggi, enormi progressi quali, nei precedenti periodi, non si sarebbero mai potuti immaginare.”

L’astronomia antica può farsi risalire probabilmente a circa 4000 anni prima di Cristo, ad opera di popolazioni dell’Asia centrale, dalle quali si sarebbe poi diffusa, nel giro di un migliaio di anni, agli Egiziani e agli Indiani, per passare poi ai Babilonesi e agli Ebrei fino ad Alessandro Magno.

Solo con i Greci, però, si può dire che l’Astronomia acquisti le caratteristiche di una disciplina scientifica, grazie a personaggi come Talete, Anassimandro, Pitagora, Platone e Aristotele, per raggiungere il maggior fulgore nella Magna Grecia con Archimede e alla Scuola di Alessandria con Aristarco da Samo, Eratostene ed Ipparco, che può essere considerato il più grande astronomo dell’antichità, i cui lavori sono stati tramandati e completati da Tolomeo, tre secoli dopo. L’Almagesto, la famosa opera in tredici libri di Tolomeo, contiene praticamente tutte le conoscenze astronomiche sviluppatesi da Ipparco in poi arricchite soprattutto dai metodi matematici e geometrici usati da Tolomeo.

La_scuola_di_Atenet

La Scuola di Atene di Raffaello Sanzio. L’uomo di spalle, con la corona, che regge un globo terracqueo in mano è Claudio Tolomeo

Secondo Schiaparelli il periodo dell’Astronomia antica si può considerare concluso intorno al 650 dopo Cristo.

L’Astronomia medievale copre il periodo che va dal 500 al 1500 dopo Cristo, con un praticamente nullo contributo dei romani e con un fondamentale apporto degli Arabi, ma fino a Copernico il contributo di tutti è sostanzialmente una ripetizione dell’Almagesto di Tolomeo.

Aspetti particolari della storia dell’Astronomia sono costituiti dalle ricche tradizioni assiro-babilonesi ed egiziane, da quelle di scarso livello, per motivi religiosi, degli Ebrei e dei Fenici, da quelle essenzialmente leggendarie di Indù e Cinesi e da quelle sorprendenti dei Maya e di altre popolazioni dell’America Centrale.

Con Copernico, considerato il continuatore della scuola greca, Tycho Brahe, Keplero, Galileo e Newton comincia la nuova era che può essere ritenuta a buon diritto quella della riforma dell’Astronomia.

Fino all’invenzione del cannocchiale di Galileo gli strumenti utilizzati per l’Astronomia furono essenzialmente le sfere armillari, l’astrolabio e il quadrante. Con questi strumenti, noti già ai Greci e perfezionati nel Medioevo soprattutto dagli Arabi, si misuravano la posizione delle stelle, le ore del levare e del tramontare del sole e delle stelle ed altre grandezze legate alla struttura del cielo, alcune determinanti per le osservazioni astrologiche.

Dopo Newton si può fissare l’inizio dell’era moderna, in cui, grazie agli sviluppi delle tecnologie osservative (cannocchiale, telescopio) e delle idee fondamentali della Fisica (legge di gravitazione universale) l’Astronomia muoverà passi da gigante nella conoscenza dell’Universo, che conosceranno un ulteriore fondamentale incremento con la scoperta dell’analisi spettrale (Kirchhoff, 1859), che ha permesso di avviare lo studio della costituzione chimica dei corpi celesti.

Il 24 agosto del 1609 Galileo scrisse una lettera al Doge Leonardo Donato presentando il cannocchiale che aveva realizzato perfezionando un “occhiale” realizzato in Olanda, che permetteva di vedere ingrandite le cose lontane come se fossero vicine. Si trattò dell’evento che diede il via al meraviglioso sviluppo dell’Astronomia, ma fu anche l’inizio del miglioramento tecnologico delle lenti, che avrebbe portato alla costruzione di strumenti ottici sempre più perfezionati, consentendo lo sviluppo altrettanto meraviglioso delle altre scienze, e al miglioramento degli occhiali, tanto importanti per risolvere i problemi della visione.

Fin dall’antichità filosofi e scienziati hanno cercato di rispondere alle domande: perché vediamo? come avviene il processo che ci mette in relazione con il mondo esterno attraverso i nostri occhi?

Nell’antica Grecia e negli ambienti culturali che gravitavano attorno ai suoi uomini di pensiero vennero elaborate alcune teorie, che oggi ci fanno sorridere ma che furono in auge, anche se con qualche aggiustamento, fino a quando, solo pochi secoli fa, non cominciarono a migliorare le conoscenze sulla natura della luce, sul suo modo di propagarsi nello spazio e nei mezzi materiali e sul funzionamento fisico-fisio-psicologico del sistema occhio-cervello. Le teorie principali furono tre, legate alle grandi scuole di pensiero dell’epoca: la teoria delle eidole, la teoria dei raggi visuali, la teoria platonica.

Teoria delle eidole – Dall’oggetto osservato si staccano delle immagini (eidole) che vanno verso l’occhio, rimpicciolendosi man mano in modo da poter entrare nella pupilla, portando alla psiche le informazioni sulla forma e i colori degli oggetti. Questa teoria nacque nell’ambito della scuola atomistica fondata da Leucippo (V secolo a.C.), che ebbe Democrito tra i suoi seguaci più illustri.

Teoria delle eidole

Teoria delle eidole

Teoria dei raggi visuali  – Dall’occhio partono dei raggi che vanno ad analizzare l’oggetto osservato e ritornano nell’occhio portando le informazioni raccolte. Questa teoria nacque nell’ambito della scuola fondata da Pitagora (V secolo a. C.).

Teoria dei raggi visuali

Teoria dei raggi visuali

Teoria platonica Dall’occhio e dall’oggetto partono due fluidi che incontrandosi danno luogo alla visione. Secondo Platone (427 a. C. – ca. 347 a. C.) dagli oggetti parte un fluido speciale, che egli chiama “fuoco”, che si incontra con la “mite luce del giorno” che parte dai nostri occhi. Solo se i due fluidi, incontrandosi, si “uniscono strettamente” si ha la sensazione visiva.

Teoria platonica

Teoria platonica

Contemporaneamente a quello della conoscenza dei meccanismi della visione altri problemi, senz’altro più gravi per la gente comune, richiedevano delle soluzioni: quelli posti dai difetti visivi, che si potevano acquisire dalla nascita o per l’avanzare dell’età, escludendo naturalmente la cecità.

Per la soluzione di questi problemi si sarebbe dovuto attendere quando negli ultimi secoli del primo millennio dopo Cristo, forse casualmente, qualcuno alle prese con la fabbricazione dei dischi di vetro che, collegati tra loro con un nastro di piombo, erano utilizzati nelle finestre, si accorse che attraverso alcuni di essi, abbastanza trasparenti, si potevano vedere ingranditi gli oggetti retrostanti. I dischi di vetro venivano prodotti prelevando con il cannello da soffiatore una massa di vetro fuso che veniva trasformata in disco ruotando energicamente il cannello. Lo spessore del disco era massimo al centro, per la connessione con il cannello, e diminuiva verso il bordo.

Era nata la lente!

Pare che la denominazione di lente derivi dal popolare lentecchia, che sta per lenticchia, legume che è proprio “a forma di lente”.

In realtà c’è da chiedersi come mai si sia atteso tanto per intravedere la soluzione, dal momento che già da tempo si conosceva la proprietà di ingrandimento dell’acqua e di sostanze trasparenti come il cristallo di rocca o varie pietre preziose. Basti pensare che nel I secolo dopo Cristo il filosofo Lucio Anneo Seneca scriveva:

“…le lettere, anche piccole e confuse, appaiono ingrandite e chiare attraverso un globo pieno di acqua.”

Comunque siano andate le cose si pensa che solo intorno al 1286 siano stati inventati gli occhiali per correggere con lenti convesse la presbiopia, che affligge le persone anziane, mentre si dovette aspettare ancora per quasi due secoli per poter correggere con lenti concave la miopia, che affligge anche i giovani.

Anche se qualcuno attribuisce erroneamente al fiorentino Salvino degli Armati l’invenzione degli occhiali, fino ad oggi è stato possibile solo definire che la data dell’invenzione deve essere posta intorno al 1286, non si può però non tener conto che il filosofo e scienziato inglese Ruggero Bacone (1214-1292) debba essere considerato quasi certamente come il primo ad aver scritto della possibilità di correggere con le lenti i difetti della visione:

“Se un uomo guarda le lettere o altre cose minute per mezzo di un cristallo o di un vetro o di altro perspicuo sovrapposto alle lettere, e sia minore della sfera la parte la cui convessità è rivolta verso l’occhio, e l’occhio sia in aria, vedrà le lettere molto meglio e gli appariranno maggiori … E perciò questo strumento è utile ai vecchi e a quelli che hanno la vista debole, perché essi possono vedere la lettera, per quanto piccola, di sufficiente grandezza.”

La storia degli occhiali è una storia molto tormentata, perché tormentata è la storia delle lenti, la cui fabbricazione avveniva levigando a mano dei pezzi di vetro di qualità molto scadente, per cui il loro uso, pur risolvendo in parte i problemi posti dai difetti visivi, era reso difficoltoso dalle aberrazioni, che distorcevano le immagini colorandone inoltre i bordi con tutti i colori dell’arcobaleno.

I primi occhiali erano costituiti da due lenti unite da una montatura inizialmente snodata e poi “a stringinaso”, di metallo, di cuoio o di osso. Gli occhiali, le cui due lenti difficilmente potevano avere esattamente le stesse caratteristiche, non erano prescritti da un medico dopo l’analisi della vista e non erano venduti da negozi specializzati, tutte cose di là da venire, ma venivano acquistati al mercato, scegliendo sulla bancarella del venditore di occhiali quelli che meglio si adattavano alla vista dell’acquirente.

Fino all’avvento del Rinascimento le lenti, per il fatto di fornire una visione distorta degli oggetti, furono per così dire “snobbate” dagli scienziati, che le consideravano “ingannevoli e fallaci”, anche se alcuni di essi dovettero adattarsi all’uso degli occhiali. Ecco cosa scrissero di esse due studiosi molto famosi:

Girolamo Fracastoro (1478-1553) “Le lenti per gli occhi sono fabbricate, alcune in modo da far apparire volti deformi, altri ironici, altri di aspetto più turpe; ce ne sono alcune che fanno apparire ogni cosa colorata, altre di un anello posto nel mezzo di un banco mostrano una dozzina di cerchi, così uguali che, se uno vuole individuare quello vero, si inganna, con grande divertimento dei presenti.”

Girolamo Cardano (1501-1576) “… gli specchi piani, concavi e convessi e le lenti rimandano immagini false.”

Ma era tanto l’entusiasmo dei “non scienziati” per uno strumento che, nonostante i suoi difetti, attenuava i problemi di una vista difettosa, che spesso gli artisti lo inserirono in situazioni storicamente o fisicamente impossibili. In un quadro del 1472 di M. Schongauer rappresentante la morte della Madonna uno dei discepoli usa un paio di occhiali, in un ritratto, dipinto nel 1518 da L. van Leyden, S. Girolamo porta gli occhiali pur essendo morto otto secoli prima della loro invenzione e in un quadro rinascimentale raffigurante la pesca dei coralli i pescatori si immergono portando sul naso gli occhiali a stringinaso, che sarebbero stati di nessun giovamento sott’acqua.

Death of the Virgin, M. Schongauer

Ci furono però anche studiosi che indagarono a fondo sul comportamento della luce attraverso le lenti, riconoscendone l’utilità per la correzione dei difetti visivi, gettando le basi per lo studio scientifico del loro funzionamento.

Di particolare importanza sono i contributi dati da Leonardo da Vinci, Francesco Maurolico, Giovan Battista Della Porta, Giovanni Kepler. Leonardo da Vinci (1452-1519) diede fondamentali contributi allo sviluppo dell’ottica e pare abbia fabbricato personalmente delle lenti, con l’intenzione di costruire degli occhiali “da vedere la luna grande”. Il benedettino Francesco Maurolico (1494-1575) si interessò in maniera molto approfondita delle lenti, sottolineandone l’importanza per correggere i difetti della vista. I suoi scritti sono forse i primi in cui vengano trattate le lenti divergenti:

“… i raggi visivi fatti passare attraverso un corpo trasparente convesso da ambedue le parti convergono presto in un piccolo spazio; così passando attraverso un corpo trasparente concavo da ambedue le parti divergono …”

Giovan Battista Della Porta (1535-1615), dalla personalità fantasiosa e sempre preoccupato di mettersi in mostra, fu il primo a tentare di costruire una teoria organica sulle lenti:

“La trattazione delle lenti è cosa difficile, meravigliosa, utile, piacevole, mai da alcuno finora tentata: è immenso il beneficio di coloro che sono quasi privi della vista e che, per mezzo delle lenti, allungano la vista a distanza grandissima, di tutto ciò non conoscendo la causa. Noi, essendoci procurata questa conoscenza, abbiamo raggiunto effetti così meravigliosi da poter distinguere anche cose minutissime portate a notevole distanza.”

Quando Galileo rese pubblica la descrizione del suo cannocchiale, Della Porta, in una lettera al presidente dell’Accademia dei Lincei Federico Cesi, lo accusò immediatamente di avergli rubato l’idea, prendendola da uno dei suoi libri.

La storia del cannocchiale è piuttosto tormentata, la sua invenzione non può essere attribuita interamente a Galileo, dal momento che le idee di uno strumento per vedere gli oggetti lontani sono databili fin dal XIII secolo (Ruggero Bacone) e alcuni suggerimenti per realizzarlo si trovano già a metà del Cinquecento in scritti di studiosi italiani (Giovan Battista Della Porta, fra Paolo Sarpi, Ettore Ausonio) e inglesi (John Dee, Thomas Digges, William Bourne).

Il primo cannocchiale presentato da Galileo al Senato Veneto nell’estate del 1609, con un potere di ingrandimento di 9 volte, era il miglioramento di un “occhiale” olandese, con solo tre ingrandimenti, che era pervenuto a Galileo l’anno precedente.

Galileo presenta al Doge e al Senato Veneto il suo cannocchiale. Affresco di Luigi Sabatelli.

Galileo presenta al Doge e al Senato Veneto il suo cannocchiale. Affresco di Luigi Sabatelli.

D’altro canto pare che lo strumento olandese fosse in realtà una copia di uno inventato in Italia nel 1590 e poi arrivato in Francia. Contemporaneamente in Inghilterra Thomas Harriott utilizzava un cannocchiale da sei ingrandimenti.

Ma qual è allora l’importanza del ruolo svolto in tutta la storia da Galileo, che oltretutto non era neanche, per fortuna, uno studioso di ottica? Il “per fortuna” si deve agli storici della Scienza (per es. Vasco Ronchi), per i quali Galileo poté costruire e utilizzare il suo cannocchiale senza essere impedito dai preconcetti e dalle prevenzioni che erano propri di tutti gli studiosi di ottica del tempo. Preconcetti e prevenzioni che non avrebbero mai portato alla realizzazione dello strumento e, soprattutto, non avrebbero mai consentito di dare valore scientifico alle osservazioni fatte con esso.

Galileo affrontò quelli che erano i problemi centrali della costruzione dello strumento: la qualità del vetro e la fabbricazione di lenti con ridotte aberrazioni e sufficiente potere di ingrandimento. Galileo stimolò le vetrerie di Venezia e di Firenze a realizzare vetri migliori e curò personalmente la fabbricazione delle lenti, con l’aiuto anche del suo grande allievo Evangelista Torricelli. Alla fine del 1609 Galileo realizzò un cannocchiale con un potere di ingrandimento di 20 volte, che gli consentì di “allungare lo sguardo” ben al di là della Luna.

Era iniziata un’era di spettacolari progressi non solo nell’Astronomia ma in tutte le scienze.

Nel marzo 1610 Galileo pubblicò il Sidereus nuncius, che può essere considerato lo scritto fondante dell’Astronomia moderna. L’opera si apre con la descrizione dell’invenzione del cannocchiale, cui fanno seguito le prime scoperte meravigliose effettuate mediante il suo uso.

sidereus nuncius

All’osservazione della superficie lunare e a quelle della costellazione di Orione e delle Pleiadi, fanno seguito quelle della Via Lattea e delle nebulose. Ma la più meravigliosa delle scoperte, fatta con l’ausilio dell’affascinante strumento, è quella dei quattro satelliti di Giove, quattro punti luminosi che Galileo chiamò “Pianeti Medicei”, in onore della famiglia di Cosimo II.

M24, la grande nube stellare immersa nella Via Lattea col suo contorno di nebulose ed ammassi stellari

M24, la grande nube stellare immersa nella Via Lattea col suo contorno di nebulose ed ammassi stellari

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La Luna attorno al primo quarto

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La pubblicazione del Sidereus nuncius ebbe l’effetto di un grosso sasso lanciato in uno stagno (quello dell’Ottica) in quiete da 20 secoli. Nel giro di poche settimane circolarono tra le Corti, le Ambasciate e gli ambienti universitari di tutta Europa decine e decine di lettere, poche a favore di quanto scriveva Galileo e molte, anche con toni violenti e decisamente offensivi, contro le meraviglie che egli descriveva di aver visto attraverso il suo cannocchiale, qualificate come illusioni e inganni visivi causati da uno strumento che, molti dicevano, era stato da lui copiato da altri costruiti in precedenza. Un fatto sorprendente considerando il tempo che occorreva all’epoca perché quelle lettere, spesso addirittura stampate in più esemplari, viaggiassero non solo tra Venezia, Firenze, Roma, Padova, Perugia, Pisa e Napoli, ma anche tra Italia, Francia, Germania, Polonia, Paesi Bassi e Inghilterra.

Questo esemplare è uno degli unici due cannocchiali esistenti certamente di Galileo.

Questo esemplare è uno degli unici due cannocchiali esistenti certamente di Galileo. Rivestito in pelle con dorature impresse a caldo, lo strumento fu donato a Cosimo II subito dopo la pubblicazione del Sidereus Nuncius (19 marzo 1610). Vetro, legno, pelle; lunghezza 92 cm, diametro 6 cm
Firenze, Istituto e Museo di Storia della Scienza

Per conoscere in maniera avvincente e dettagliata il “polverone” suscitato da Galileo negli ambienti scientifici e filosofici dell’epoca si può leggere il bel libro di Vasco Ronchi “Galileo e il suo cannocchiale” (Einaudi, 1964).

Il vero contributo allo sviluppo dell’ottica moderna dato da Galileo con il suo cannocchiale è stato l’aver affermato e provato che quanto si vedeva attraverso di esso era reale, spazzando così via tutti i preconcetti e le prevenzioni sull’uso delle lenti, che costituivano la caratteristica saliente dell’ottica che si era consolidata fino ad allora.

Con il cannocchiale di Galileo si apre l’era dell’uso delle tecnologie ottiche per la costruzione di strumenti per uso scientifico.

L’Astronomia compie un balzo in avanti, che verrà potenziato ulteriormente dal telescopio di Newton, ma sono anche le Scienze Naturali e le Scienze Mediche ad imboccare, con la costruzione del microscopio, una strada che le porterà nel giro di due secoli agli sviluppi che conosciamo.

Giovanni Keplero (1571-1630), oltre che astronomo, fu uno studioso profondo di ottica, i cui contributi allo sviluppo di questa scienza sono ancora validi oggi. Partecipò in modo determinante al dibattito sulle scoperte di Galileo e sull’uso del suo cannocchiale, in modo critico all’inizio ma sviluppando la teoria scientifica dello strumento decretando alla fine la piena vittoria del Fiorentino sulle idee del passato. A lui si deve la denominazione di “fuoco”, per il punto in cui converge un fascio di raggi paralleli che attraversi una sfera di vetro, e lo studio della combinazione di più lenti, che lo portò a ideare un cannocchiale che, a differenza di quello di Galileo, fornisce immagini rovesciate.

Il cannocchiale di Keplero pare sia stato costruito da Christoph Scheiner nel 1630, ma la priorità della sua costruzione fu rivendicata dal napoletano Francesco Fontana (1580 ca.-1656), che affermò di esser giunto alla sua realizzazione nel 1608. Ma le sue considerazioni sono contenute in uno scritto apparso solo nel 1645, un po’ tardi per avvalorare il diritto di priorità!

I cannocchiali costruiti da Galileo rimasero i migliori per i venti anni successivi alla pubblicazione del Sidereus Nuncius. La qualità venne rapidamente migliorando raggiungendo livelli molto elevati ad opera del già citato Francesco Fontana, i cui cannocchiali pare suscitassero la gelosia di Torricelli, che aveva ricevuto direttamente dal suo maestro i consigli per la lavorazione delle lenti, che gli avevano consentito di costruire ottimi strumenti. Iniziarono rapidamente a migliorare le tecniche di fabbricazione delle lenti, utilizzando macchine sempre più raffinate e vetro sempre più omogeneo ed esente da bolle d’aria.

Gli occhiali furono senz’altro i primi strumenti a beneficiare di questa rivoluzione tecnologica, che già nella seconda metà del Settecento vedrà l’invenzione degli occhiali bifocali ad opera di Beniamino Franklin (1706 – 1790), uomo politico e scienziato di grande fama. Si dovrà aspettare, però, fino alla metà dell’Ottocento perché la medicina oculistica diventi pienamente l’unico mezzo per determinarne l’uso scientificamente corretto. L’ultimo “grido” in fatto di lenti saranno le lenti a contatto, realizzate nel Novecento.

Ai cannocchiali di Galileo e di Keplero, utilizzati in una grande varietà di strumenti ottici, si aggiunse un secolo dopo il telescopio di Newton, spalancando all’Uomo una finestra sull’Universo che si sarebbe rapidamente ampliata, arrivando in 300 anni a portare il punto di osservazione fuori dalla Terra con i telescopi spaziali.

Telescopio in configurazione Newton utilizzato principalmente per ricerche fotometriche

Telescopio in configurazione Newton utilizzato principalmente per ricerche fotometriche

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Il telescopio spaziale Hubble

Insieme alla possibilità di lanciare lo sguardo molto lontano cominciò a svilupparsi contemporaneamente anche quella di dirigerlo verso oggetti tanto piccoli da dover essere avvicinati a distanze “impossibili” per l’occhio. Si deve forse allo stesso Galileo la costruzione di un “occhialino” per vedere ingrandite le cose piccole, ma si ritiene che i primi efficaci “microscopi semplici”, costituiti cioè da una sola lente, siano stati costruiti da Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723).

A differenza di cannocchiali e telescopi, che ebbero un perfezionamento a partire dal Settecento, il microscopio dovette attendere fino all’inizio dell’Ottocento per veder migliorate le sue prestazioni, ma da quel momento il miglioramento fu vertiginoso, fino ad arrivare, nel secolo successivo all’invenzione del microscopio elettronico, che invece della luce utilizza fasci di elettroni, e del microscopio a forza atomica che permette di localizzare le molecole e gli atomi.

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Sezione longitudinale di un apice vegetativo in falsi colori ripresa al microscopio ottico. L’apice appuntito mostra numerose cellule in attiva divisione. Le strutture a mezzaluna sono abbozzi fogliari. I due nuclei tondi ai lati al centro sono primordi di gemme ascellari.

Non si può parlare di sviluppo tecnologico dell’ottica senza considerare un altro strumento di fondamentale importanza anche dal punto di vista sociale: la macchina fotografica.

La si può considerare la pronipote della camera oscura, una stanza buia con un piccolo foro in una parete attraverso il quale la luce va a formare, sulla parete opposta, un’immagine capovolta del paesaggio esterno, che può essere trasferita col disegno su un foglio di carta. Il fenomeno pare fosse noto fin dai tempi di Aristotele, che doveva aver capito che le macchie luminose che si vedono a terra sotto un albero sono le immagini del sole, formate dalla luce che filtra attraverso gli interstizi tra le foglie.

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Lo studio della camera oscura da parte di scienziati arabi ed europei condusse alla realizzazione anche di strumenti portatili, il cui funzionamento fu migliorato inserendo nel foro una lente convessa. Nella prima metà dell’Ottocento l’immagine fu fissata su un supporto mediante un processo chimico (dagherrotipia) e nella seconda metà vennero costruiti i primi apparecchi con pellicola, che diventarono rapidamente le macchine fotografiche che conosciamo. La sostituzione della pellicola con supporti informatici per la registrazione dell’immagine ha aperto la recentissima era della fotografia digitale.

Livio Ruggiero – 2014

Per saperne di più:

  • G. Abetti, Storia dell’Astronomia, Vallecchi 1949
  • V. Ronchi, Galileo e il suo cannocchiale, Boringhieri 1964
  • V. Ronchi, Storia della Luce. Da Euclide a Einstein, Laterza 1983
  • C. Abati, E. Borchi, A. de Cola, Storia dell’Ottica per immagini, Fabiano Editore 1997