Come la Legge di Gravitazione Universale di Newton Ha Rivoluzionato la Comprensione dell'Universo

Nel pensiero newtoniano, l'universo appare come un'entità statica e immutabile, all'interno della quale gli oggetti celesti si muovono seguendo una routine ordinata. Il tempo scorre come un ritmo universale, applicabile a tutti, ovunque. Il tempo di Newton è assoluto, vero, matematico. Le sue tre leggi del movimento, che si basano su questi concetti di tempo e spazio assoluti, spiegano la dinamica degli oggetti sufficientemente grandi da essere osservati direttamente. Se il tempo e lo spazio sono assoluti, niente può influenzarli. Lo spazio non è condizionato da ciò che contiene, il tempo scorre senza essere vincolato dallo spazio, e entrambi sono indipendenti da qualsiasi osservatore. I corpi si muovono all'interno di questo spazio assoluto, e il tempo assoluto è ciò che è necessario affinché le leggi della fisica siano le stesse in ogni istante. Newton scrisse che “tutti i moti possono essere accelerati o rallentati, ma il flusso del tempo assoluto non può essere cambiato.” E questa, in breve, è anche la nostra percezione come "terrestri newtoniani", l'impressione intuitiva che abbiamo di come funziona il mondo.

Questa straordinaria intuizione segnò un punto di svolta irreversibile, unendo dinamiche che sembravano appartenere a due mondi molto diversi, quello celeste e quello terrestre. Fin dai tempi di Aristotele, si credeva che ci fosse una netta separazione tra i corpi celesti e quelli terrestri, tanto che i primi erano composti da un elemento specifico (l’etere), che non si trovava nel mondo sublunare e che quindi seguiva leggi diverse, muovendosi in un moto uniforme e circolare per via di una totale assenza di attrito. Anche Copernico, a cui dobbiamo la formulazione della teoria eliocentrica, non aveva discusso il meccanismo che regolava il movimento dei pianeti. Questo cambiamento fondamentale in astronomia iniziò grazie al lavoro di Galileo Galilei e Johannes Kepler. L'ammirazione profonda di Giacomo Leopardi per il grande scienziato tedesco Kepler era evidente nella sua "Storia dell'Astronomia": Kepler fu il precursore di Newton. La natura, che aveva fatto tanto per Newton, rimase sterile per elevare il filosofo inglese. Ma se non fosse stato preceduto da Galilei e Kepler, avrebbe dovuto fare ciò che avevano fatto loro, e la sua conoscenza non avrebbe raggiunto il sublime livello che ebbe. [Kepler] fu un grande uomo, un uomo straordinario che meritava il titolo distintivo di "Padre dell'Astronomia".

Popova prosegue dicendo che Kepler era confuso dall’ipotesi che l'Universo fosse governato da una sorta di orologiaio, e soprattutto da un orologiaio divino. Preferiva concentrarsi sull’idea di una “singola forza magnetica” che in qualche modo metteva in moto la macchina celeste, “non qualcosa come un organismo divino, ma piuttosto qualcosa come un meccanismo a orologeria in cui un singolo peso muove tutti gli ingranaggi.” Questo non era molto lontano dal concetto di Newton, e fino a quel momento, nessuno aveva trovato un modo per spiegare il movimento dei pianeti senza ricorrere a qualche idea di divinità. Quando quella leggendaria mela cadde dal suo famoso albero, Newton stava riflettendo proprio su quale forza Kepler avesse in mente.

La legge di gravitazione universale di Newton, formulata nel 1687 insieme alle tre leggi del movimento nel Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, stabilì un legame tra mele che cadono e comete che ruotano. L’intuizione di Newton, che ha unito fenomeni apparentemente disparati sotto una causa unica, fu in essenza un trionfo della semplicità. Newton segnò un punto decisivo nella prospettiva scientifica, aprendo la strada a una comprensione più completa e vasta di come l'Universo funzioni, al di là del ristretto e ingannevole perimetro dell’esperienza umana.

Perché l’Apple di Newton Continua a Cadere: La Gravità e il Movimento Celeste

La missione Gaia, con le sue previsioni sul movimento delle stelle e l’evoluzione delle costellazioni, è una testimonianza moderna di un principio che Isaac Newton ha delineato secoli fa: la legge della gravitazione universale. Questo principio matematico, un’equazione elegante che, insieme alle leggi del movimento, descrive in modo straordinariamente accurato gran parte dei movimenti celesti. Tali leggi, infatti, sono ancora oggi la base per lanciare sonde e satelliti nello spazio, per atterrare su altri pianeti o volare verso una cometa.

La storia della mela che cadde dall’albero è probabilmente la più nota legata a Newton. Secondo la versione popolare, una mela cadde dall’albero nel giardino della madre di Newton, facendolo riflettere sul movimento dei corpi celesti. Questa narrazione fu resa celebre da Voltaire, che, nel contesto di un saggio sulla poesia epica, riferì l’aneddoto raccontato dalla nipote di Newton, Catherine Barton Conduit. Quest’ultima gli parlò di come Newton, nel 1666, avesse visto una mela cadere e fosse stato spinto a riflettere sulla forza che fa cadere gli oggetti verso il basso. Voltaire, preoccupato che la storia venisse “rubata” da qualcun altro, la inserì velocemente nel suo lavoro, facendo di essa un simbolo immortale.

Il principio che fa sì che la Terra, Nettuno e Mercurio orbitino attorno al Sole è, infatti, lo stesso che fa cadere una mela da un albero. La domanda che potrebbe sorgere spontanea è: se la gravità attrae tutti gli oggetti verso il basso, perché la Terra, Nettuno e Mercurio non cadono nel Sole, ma vi orbitano attorno? La risposta risiede in una questione di velocità iniziale e posizione. Immaginate di lanciare una palla di cannone orizzontalmente. La palla seguirà una traiettoria rettilinea per un po’, quindi curverà e infine toccherà il suolo. Se la velocità di lancio è sufficientemente alta, la palla non toccherà mai il suolo e compirà un’orbita attorno alla Terra. In altre parole, la traiettoria di un corpo che si muove attraverso lo spazio è una combinazione perfetta tra la sua velocità iniziale e la forza gravitazionale che tende a farlo cadere. Così, 4,5 miliardi di anni fa, quando il sistema solare si formò da una gigantesca nube di gas e polveri, i pianeti vennero intrappolati dalla forza gravitazionale del Sole, orbitando a velocità e distanze diverse, ma restando legati in un perpetuo movimento orbitale.

Il fenomeno che si verifica a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è un esempio affascinante di come la gravità sia presente anche a 400 km dalla superficie terrestre. Nonostante gli astronauti sembrino fluttuare in assenza di gravità, la forza gravitazionale è solo leggermente più debole rispetto a quella che si sperimenta sulla Terra. La Stazione Spaziale, infatti, non è lontana abbastanza dalla Terra da sfuggire al suo abbraccio gravitazionale. Gli oggetti a bordo sono in caduta libera, ma poiché la ISS stessa è in orbita attorno alla Terra, non cadono mai veramente.

Comprendere la gravità e il movimento orbitale è fondamentale per capire non solo la dinamica degli oggetti celesti, ma anche il principio stesso della "caduta libera". Il movimento orbitale è essenzialmente un’esperienza di caduta costante. La gravità agisce sempre, ma a seconda della velocità di un corpo e della sua posizione iniziale, esso può rimanere in un’orbita stabile senza mai toccare la superficie del corpo che lo attrae. Questo principio è il cuore della teoria di Newton e della moderna astrofisica.

In questo contesto, è importante riconoscere l’interconnessione tra la teoria della gravitazione universale e l’evoluzione delle scoperte scientifiche. L’idea che gli oggetti cadano non solo sulla Terra, ma anche nelle orbite attorno al Sole, è una delle intuizioni più fondamentali e potenti della storia della scienza. In aggiunta, bisogna anche tenere presente che, sebbene Newton abbia formalizzato la teoria, essa fu influenzata dalle teorie e dalle osservazioni di molti altri scienziati, alcuni dei quali, come Hooke, non ebbero il giusto riconoscimento durante la loro vita.

La gravità, dunque, è il legame che tiene insieme l’universo, dalla caduta delle mele alle orbite dei pianeti. Capire questa forza ci permette non solo di esplorare lo spazio, ma anche di comprendere il nostro posto nell’universo.

Come la Velocità della Luce Cambia la Nostra Comprensione del Tempo e dello Spazio

Le equazioni di James Clerk Maxwell, formulate nel 1865 per descrivere la propagazione delle onde elettromagnetiche, introdussero il concetto della velocità della luce come costante. Maxwell, infatti, non solo fornì una nuova visione dell’interazione tra il campo elettrico e il campo magnetico—che si rivelavano essere due aspetti della stessa forza—ma suggerì anche che le onde elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità della luce, implicando che la luce stessa fosse una forma di radiazione elettromagnetica. Questo concetto fu poi confermato sperimentalmente da Heinrich Hertz.

Nel quadro newtoniano, campo elettrico e campo magnetico erano separati e la loro interazione era basata su forze a distanza, un concetto che si rivelò insufficiente. Con l’arrivo delle equazioni di Maxwell, l’idea di un “etere luminifero”, che si pensava fosse il mezzo attraverso cui si propagavano le onde di luce, venne messa in discussione. Maxwell stesso ipotizzava che le onde elettromagnetiche si trasmettessero attraverso questo etere, ma la visione del movimento della luce fu successivamente ribaltata dall’esperimento di Michelson e Morley nel 1887.

Il loro esperimento, volto a misurare gli effetti di un possibile "vento etereo" causato dal movimento della Terra attraverso l’etere, dimostrò che la luce viaggia sempre alla stessa velocità, indipendentemente dalla direzione rispetto al movimento del nostro pianeta. L’etere venne così eliminato dalla scena scientifica, e la legge galileiana della composizione delle velocità venne superata. In un mondo nuovo, la velocità della luce si rivelò essere una costante universale, indipendente dal movimento dell'osservatore.

Albert Einstein, affascinato dall'elettromagnetismo fin dalla giovinezza, esplorò mentalmente il paradosso creato dalle equazioni di Maxwell e dalle leggi della relatività galileiana. Da giovane, immaginava di correre accanto a un raggio di luce, ma presto si rese conto che, secondo le leggi della fisica dell’epoca, un raggio di luce che non si spostava non sarebbe più stato un "raggio di luce". Questo tipo di pensiero divenne il nucleo del suo lavoro futuro, che avrebbe portato alla formulazione della relatività speciale.

Nel 1905, Einstein propose un nuovo principio di relatività, che non solo estendeva le idee di Galileo, ma le rivedeva in base alla costanza della velocità della luce. Le trasformazioni di Lorentz, sviluppate dal fisico olandese Hendrik Lorentz, permisero di conciliare le leggi della meccanica con quelle dell’elettromagnetismo in un unico quadro teorico. La velocità della luce, infatti, diventava una costante universale, non più legata al movimento dell'osservatore, ma invariabile in ogni riferimento inerziale.

La promozione della velocità della luce come una costante assoluta, indipendente dall'osservatore, implica che spazio e tempo non possano più essere concepiti come entità separate e assolute. La costanza della velocità della luce legò irreversibilmente spazio e tempo, che divennero due facce della stessa medaglia, fuse nel concetto di spaziotempo. In altre parole, il tempo, che inizialmente era considerato una dimensione assoluta e separata, divenne la quarta dimensione, interconnessa con le altre tre dimensioni dello spazio.

Nel contesto della relatività speciale, un concetto che solleva perplessità è quello della dilatazione del tempo. Se due osservatori sono in movimento relativo tra loro, non percepiranno lo stesso flusso di tempo tra due eventi. Il famoso esempio dei gemelli, proposto da Einstein, è una dimostrazione di come il tempo non sia assoluto: se Massimo partisse per un viaggio nello spazio a una velocità vicina a quella della luce, al ritorno troverebbe il suo gemello Stefano notevolmente più invecchiato rispetto a lui. Questo accade perché, per Massimo, il tempo all'interno della navetta spaziale scorrerebbe più lentamente rispetto a Stefano, che sarebbe rimasto sulla Terra.

L'esperimento mentale dei gemelli esprime la realtà della relatività in modo semplice ma efficace, mostrando che i concetti di simultaneità e durata degli eventi dipendono dal punto di vista dell'osservatore. Quando gli oggetti si muovono alla velocità della luce, fenomeni come la contrazione delle lunghezze e la dilatazione del tempo diventano osservabili, con implicazioni fondamentali per la nostra comprensione della realtà fisica.