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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
La legge di gravitazione universale. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti L'idea che i corpi cadano a terra a causa della loro attrazione da parte del globo era tutt'altro che nuova: gli antichi, ad esempio, Platone, lo sapevano. Ma come misurare la forza di questa attrazione? È lo stesso ovunque nel mondo e fino a che punto si estende? Ecco le domande che Newton - l'autore della legge di gravitazione universale, scienziati e filosofi confusi. Alla scoperta della tua terza legge Kepler entrò in uno stato così estatico che gli sembrò di delirare. Nel 1619 Keplero pubblicò il famoso "Armonia dell'Universo", in cui era a un passo dalla scoperta di Newton eppure non ce l'ha fatta. Keplero non solo attribuiva i moti dei pianeti a una qualche attrazione reciproca, ma era anche pronto ad accettare la legge della "proporzione quadrata" (cioè un'azione inversamente proporzionale ai quadrati delle distanze). Ahimè, ben presto lo abbandonò e assunse invece che l'attrazione fosse inversamente proporzionale, non ai quadrati delle distanze, ma alle distanze stesse. Keplero non è riuscito a stabilire i principi meccanici delle leggi del moto planetario da lui scoperte. Gli immediati predecessori di Newton in questo campo furono i suoi compatrioti Gilbert e soprattutto Hooke. Nel 1660 Gilbert pubblicò On the Magnet, in cui confrontava l'azione della terra sulla luna con l'azione di un magnete sul ferro. In un'altra opera di Gilbert, pubblicata dopo la sua morte, si dice che la Terra e la Luna si influenzano a vicenda come due calamite, e per di più in proporzione alle loro masse. Ma il più vicino alla verità arrivò Robert Hooke, un contemporaneo e rivale di Newton. Il 21 marzo 1666, cioè poco prima che Newton si addentrasse per la prima volta nei segreti della meccanica celeste, Hooke lesse a una riunione della Royal Society di Londra un rapporto sui suoi esperimenti sulla variazione della gravità in funzione della distanza di un corpo in caduta rispetto al centro della Terra. Consapevole dell'insoddisfazione dei suoi primi esperimenti, Hooke ebbe l'idea di misurare la forza di gravità facendo oscillare un pendolo: un'idea del massimo grado spiritosa e fruttuosa. Due mesi dopo, Hooke riferì nella stessa società che la forza che tiene i pianeti nelle loro orbite doveva essere simile a quella che produce il moto circolare di un pendolo. Molto più tardi, quando Newton stava già preparando la sua grande opera per la pubblicazione, Hooke, indipendentemente da Newton, giunse all'idea che "la forza che controlla il moto dei pianeti" dovesse cambiare "in una certa misura a seconda delle distanze", e dichiarò che avrebbe "costruito un intero sistema dell'universo" basato su questo inizio. Ma è stato qui che è stata rivelata la differenza tra talento e genio. I pensieri felici di Hooke sono rimasti nella loro infanzia. Non aveva la forza di far fronte alle sue ipotesi e la priorità della scoperta appartiene a Newton. Isaac Newton (1642–1726) nacque a Woolsthorpe, nel Lincolnshire. Suo padre morì prima della nascita di suo figlio. La madre di Newton, nata Aiskof, partorì prematuramente poco dopo la morte del marito e il neonato Isaac era sorprendentemente piccolo e fragile. Pensavano che il bambino non sarebbe sopravvissuto. Newton, tuttavia, visse fino a tarda età e sempre, ad eccezione dei disturbi a breve termine e di una grave malattia, si distinse per la buona salute. In termini di stato di proprietà, la famiglia Newton apparteneva al numero dei contadini della mano di mezzo. Quando Isaac è cresciuto, è stato messo in una scuola elementare. Dopo aver raggiunto l'età di dodici anni, il ragazzo iniziò a frequentare una scuola pubblica a Grantham. Fu sistemato in un appartamento con il farmacista Clark, dove visse a intermittenza per circa sei anni. La vita in farmacia ha inizialmente suscitato in lui il desiderio di studiare chimica. Il 5 giugno 1660, quando Newton non aveva ancora diciotto anni, fu ammesso al Trinity College. L'Università di Cambridge era a quel tempo una delle migliori in Europa: qui fiorivano ugualmente le scienze filologiche e matematiche. Newton rivolse la sua principale attenzione alla matematica. Ma allo stesso tempo, nel 1665, ricevette un Bachelor of Fine Arts (scienze verbali). I suoi primi esperimenti scientifici sono legati allo studio della luce. Lo scienziato ha dimostrato che con l'aiuto di un prisma, il colore bianco può essere scomposto nei suoi colori costitutivi. Studiando la rifrazione della luce in film sottili, Newton osservò un modello di diffrazione, chiamato "anelli di Newton". Nel 1666 scoppiò a Cambridge un'epidemia, che, secondo l'usanza dell'epoca, era considerata una piaga, e Newton si ritirò nella sua Woolsthorpe. Qui, nel silenzio del villaggio, senza libri né strumenti a portata di mano, vivendo una vita quasi solitaria, il ventiquattrenne Newton si abbandonava a profonde riflessioni filosofiche. Il loro frutto fu la più brillante delle sue scoperte: la dottrina della gravitazione universale. Era un giorno d'estate. A Newton piaceva meditare, seduto in giardino, all'aria aperta. La tradizione racconta che i pensieri di Newton furono interrotti dalla caduta di una mela traboccante. Il famoso melo è stato a lungo conservato come monito ai posteri. E dopo che si è prosciugato, è stato abbattuto e trasformato in un monumento storico a forma di panca. Newton pensava da molto tempo alle leggi della caduta dei corpi, ed è del tutto possibile che, in particolare, la caduta di una mela lo abbia portato nuovamente a questi pensieri, da cui è passato alla domanda: la caduta di i corpi si verificano allo stesso modo ovunque nel globo? Quindi, ad esempio, è possibile affermare che in alta montagna i corpi cadono con la stessa velocità delle miniere profonde? Ma come fece Newton a scoprire questa legge, per la quale l'analogia con la caduta di una mela non poteva più avere alcun significato? Lo stesso Newton scrisse molti anni dopo di aver derivato la formula matematica che esprime la legge di gravitazione universale dallo studio delle famose leggi di Keplero. È possibile, tuttavia, che il suo lavoro in questa direzione sia stato notevolmente accelerato dalle sue ricerche nel campo dell'ottica.La legge che determina "l'intensità luminosa" o "grado di illuminazione" di una data superficie è molto simile alla formula matematica per gravità. Semplici considerazioni geometriche e l'esperienza diretta mostrano che quando, ad esempio, un foglio di carta viene rimosso da una candela a una distanza doppia, il grado di illuminazione della superficie della carta diminuisce, e non della metà, ma di quattro volte, a una distanza tripla - di nove volte e così via. Questa è la legge che ai tempi di Newton veniva chiamata brevemente legge della "proporzione al quadrato". Più precisamente, "l'intensità della luce è inversamente proporzionale ai quadrati delle distanze". Era del tutto naturale per una mente come Newton cercare di applicare questa legge alla teoria della gravitazione. Giunto all'idea che l'attrazione della Luna da parte della Terra determini il moto del satellite terrestre, Newton giunse inevitabilmente a un'ipotesi simile per quanto riguarda il moto dei pianeti attorno al Sole. Ma la sua mente non si accontentava di ipotesi non verificate. Cominciò a calcolare e ci vollero decenni prima che le sue ipotesi si trasformassero nel più grande sistema dell'universo. Allo stesso tempo, Newton non avrebbe mai potuto sviluppare e dimostrare la sua brillante idea se non avesse padroneggiato il potente metodo matematico conosciuto oggi sotto il nome di calcolo differenziale e integrale. La giustizia richiede di notare il contributo di Robert Hooke. Pertanto, l'astuto Hooke corresse la conclusione di Newton e scrisse a quest'ultimo che i corpi in caduta non dovevano deviare esattamente a est, ma a sud-est. Era d'accordo con le argomentazioni di Hooke e gli esperimenti effettuati da quest'ultimo confermarono pienamente la teoria. Hooke ha corretto un altro errore di Newton. Isaac credeva che un corpo in caduta, a causa della connessione del suo movimento con il movimento della Terra, avrebbe descritto una linea elicoidale. Hooke ha mostrato che una linea elicoidale si ottiene solo se si tiene conto della resistenza dell'aria e che nel vuoto il movimento deve essere ellittico - stiamo parlando di movimento vero, cioè che potremmo osservare se noi stessi non partecipassimo al movimento il globo. Dopo aver verificato le conclusioni di Hooke, Newton si convinse che un corpo lanciato con una velocità sufficiente, essendo allo stesso tempo sotto l'influenza della gravità terrestre, può davvero descrivere un percorso ellittico. Riflettendo su questo argomento, Newton scoprì il famoso teorema, secondo il quale un corpo sotto l'influenza di una forza di attrazione, simile alla forza di gravità, descrive sempre una sezione conica, cioè una delle curve che si ottengono quando si interseca un cono da un piano (ellisse, iperbole, parabola e in casi speciali un cerchio e una retta). Inoltre, Newton ha determinato che il centro di attrazione, cioè il punto in cui si concentra l'azione di tutte le forze attrattive che agiscono su un punto in movimento, è al centro della curva descritta. Pertanto, il centro del Sole è (approssimativamente) nel fuoco generale delle ellissi descritte dai pianeti. Aver raggiunto tali risultati. Newton vide subito di aver dedotto teoricamente, cioè in base ai principi della meccanica razionale, una delle leggi di Keplero, la quale afferma che i centri dei pianeti descrivono ellissi e che il centro del Sole è al centro delle loro orbite. Ma Newton non era soddisfatto di questo accordo fondamentale tra teoria e osservazione. Voleva vedere se era davvero possibile con l'aiuto della teoria calcolare gli elementi delle orbite planetarie, cioè prevedere tutti i dettagli dei moti planetari? All'inizio non fu fortunato. John Conduitt ne scrive così: "Nel 1666 lasciò di nuovo Cambridge... per andare da sua madre nel Lincolnshire, e mentre stava meditando in giardino, gli venne in mente che la forza di gravità (che fa sì che una mela caduta sulla terra) non è limitato a una certa distanza dalla terra, ma che la forza deve estendersi molto più lontano di quanto si pensi. Perché non alla luna, si disse, e se è così, questo dovrebbe influenzare il suo movimento e forse tenerlo in orbita, dopodiché decise di calcolare quale potesse essere l'effetto di tale ipotesi; ma poiché non aveva libri in quel momento, usò la proposizione comunemente usata, comune tra i geografi e i nostri marinai prima che Norwood misurasse la terra, che è che in un grado di latitudine sulla superficie terrestre ci sono 60 miglia inglesi. Il calcolo non coincideva con la sua teoria e lo costringeva ad accontentarsi dell'assunto che, insieme alla forza di gravità, doveva esserci anche una mescolanza della forza a cui e la Luna, se fosse trasportata nel suo moto da un turbine…” Lo studio delle leggi del moto ellittico fece avanzare significativamente la ricerca di Newton. Ma fintanto che i calcoli non erano d'accordo con l'osservazione, Newton doveva aver sospettato l'esistenza di qualche fonte di errore o incompletezza della teoria, che ancora gli sfuggiva. Fu solo nel 1682 che Newton fu in grado di utilizzare i dati sui meridiani più accurati ottenuti dallo scienziato francese Picard. Conoscendo la lunghezza del meridiano, Newton calcolò il diametro del globo e immise immediatamente i nuovi dati nei suoi calcoli precedenti. Con sua grande gioia, lo scienziato era convinto che le sue vecchie opinioni fossero completamente confermate. La forza che fa cadere i corpi sulla Terra si è rivelata esattamente uguale a quella che controlla il movimento della Luna. Questa conclusione fu per Newton il più alto trionfo del suo genio scientifico. Ora le sue parole erano pienamente giustificate: "Il genio è la pazienza del pensiero concentrato in una certa direzione". Tutte le sue ipotesi profonde, i calcoli a lungo termine si sono rivelati corretti. Ora era completamente e finalmente convinto della possibilità di creare un intero sistema dell'universo basato su un semplice e grande inizio. Tutti i movimenti più complessi della luna, dei pianeti e persino delle comete che vagano per il cielo gli sono diventati abbastanza chiari. È diventato possibile prevedere scientificamente i movimenti di tutti i corpi del sistema solare, e forse del sole stesso, e persino delle stelle e dei sistemi stellari. Alla fine del 1683 Newton comunicò finalmente alla Royal Society i principi fondamentali del suo sistema sotto forma di una serie di teoremi sul moto dei pianeti. Tuttavia, la teoria era troppo brillante perché ci fossero persone invidiose che cercavano di attribuire a se stesse almeno una parte della gloria di questa scoperta. Senza dubbio, alcuni degli scienziati britannici dell'epoca si avvicinarono abbastanza alle scoperte di Newton, ma comprendere la difficoltà della questione non significa risolverla. Il famoso architetto e matematico Christopher Wren ha cercato di spiegare il movimento dei pianeti con "la caduta di corpi sul Sole, connessa con il movimento originale". L'astronomo Halley presumeva che le leggi di Keplero potessero essere spiegate dall'azione di una forza inversamente proporzionale ai quadrati delle distanze, ma non poteva dimostrarlo. Hooke assicurò ai membri della Royal Society che tutte le idee contenute negli Elementi erano già state loro proposte cento volte; quelli che non sono stati esposti da lui prima sono errati. Huygens rifiutava completamente e categoricamente l'idea della reciproca gravitazione delle particelle, consentendo la presenza della gravitazione solo all'interno dei corpi. Leibniz ha continuato a insistere sul fatto che il movimento dei pianeti potrebbe essere spiegato solo per mezzo di un fluido vorticoso etereo che fa cadere i pianeti fuori dal loro percorso rettilineo. Bernoulli e Cassini hanno anche parlato ostinatamente di vortici. Tuttavia, il rumore gradualmente si placò e la gloria della scoperta della gravitazione universale andò giustamente a Isaac Newton. Autore: Samin D.K.
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