Gli storici descrivono il sorgere della scienza moderna durante il primo periodo moderno, indicandolo come periodo della Rivoluzione scientifica, quando gli sviluppi in matematica, fisica, astronomia, biologia (includendo l’anatomia umana) e chimica trasformarono la conoscenza riguardo alla natura. La Rivoluzione scientifica prese piede in Europa verso la fine del Rinascimento e continuò lungo il tardo XVIII secolo, influenzando il movimento sociale e intellettuale conosciuto come Illuminismo. Il periodo che va dal 1543, anno della pubblicazione de De revolutionibus orbium coelestium di Niccolò Copernico, al 1687, anno di pubblicazione de I principi matematici della filosofia naturale di Isaac Newton, viene generalmente indicato come periodo della “Rivoluzione scientifica”.

E’ importante ricordare che fino all’inizio di questo periodo le teorie che spiegavano il mondo della natura si rifacevano principalmente al pensiero di Aristotele. Il filosofo di Stagira aveva infatti costruito una spiegazione del mondo naturale che era al contempo sistematica, verosimile e molto approfondita. Aristotele aveva indagato quasi tutti gli aspetti del mondo naturale: dalla natura vegetale, agli animali, al cosmo, etc.

Le spiegazioni che dava Aristotele erano ragionevoli e rispecchiavano il senso comune: il Sole gira intorno alla Terra (non è forse quello che vediamo tutti i giorni?), i corpi pesanti cadono più velocemente di quelli leggeri (chi di noi non ne ha fatto esperienza?)…

Il procedimento mediante il quale Aristostele studiava la realtà è il seguente:

• Osservazioni descrittive - Aristotele utilizzava osservazioni dirette e descrizioni verbali dei fenomeni. Questo era dovuto anche al fatto che all’epoca di Aristotele, gli strumenti per misurazioni accurate e quantitative erano limitati o inesistenti.
• Classificazioni naturali - Le sue teorie spesso si concentravano sulla classificazione e sulla descrizione delle essenze delle cose piuttosto che sulla loro quantificazione matematica. Per l’utilizzo della matematica nella costruzione di teorie scientifiche dovremo attendere Galileo Galilei.
• Approccio filosofico - La scienza aristotelica era profondamente intrecciata con la filosofia. Aristotele cercava di comprendere il “perché” dei fenomeni (le cause finali) piuttosto che solo il “come” (le cause efficienti).

A partire all’incirca dal XV sec. il pensiero aristotelico iniziò a rivelarsi imperfetto nella spiegazione di determinati fenomeni naturali. Fu in questo periodo che iniziò lo sviluppo del moderno pensiero scientifico.

Ma cosa portò a questa crisi? La crisi delle teorie scientifiche aristoteliche fu il risultato di una complessa serie di scoperte e sviluppi intellettuali che si verificarono tra il XV e il XVII secolo. In modo molto schematico si possono elencare le grandi innovazioni culturali che spinsero a riconsiderare le spiegazioni della natura considerate ormai da quasi duemila anni un dogma:

• La scoperta di nuove terre da parte di Cristoforo Colombo (1492) e altri esploratori mise in discussione le conoscenze geografiche basate sulle opere di Aristotele e Tolomeo. Questa espansione del mondo conosciuto fece comprendere che le teorie aristoteliche non erano infallibili.
• Nel 1543 Nicola Copernico pubblicò il suo trattato “De revolutionibus orbium coelestium”, in cui proponeva un modello eliocentrico dell’universo, contraddicendo il modello geocentrico di Aristotele e Tolomeo. Questo fu un colpo significativo al sistema aristotelico, che considerava la Terra al centro dell’universo.
• Galileo Galilei (inizio del XVII secolo) utilizzando il telescopio, scoprì i satelliti di Giove, le fasi di Venere e le macchie solari. Queste osservazioni empiriche contraddicevano direttamente le affermazioni aristoteliche sull’immutabilità dei cieli e rafforzavano il modello copernicano.
• Giovanni Keplero con le sue leggi del moto planetario (1600-1620), e Isaac Newton, con la legge della gravitazione universale (1687), fornirono spiegazioni matematiche precise dei fenomeni naturali. Questi sviluppi misero in evidenza i limiti delle spiegazioni qualitative e finalistiche di Aristotele e stabilirono un approccio quantitativo e sperimentale allo studio della natura. La teoria della gravitazione universale, permetteva di arrivare ad una fisica unificata che considerava le stesse leggi valide per tutti i corpi (appunto legge universale) contraddicendo in pieno la fisica di Aristotele basata sulla distinzione tra mondo sublunare e mondo celeste.

Uno dei campi del sapere in cui maggiormente si iniziò a capire che le teorie di Aristotele davano spiegazioni insoddisfacenti della realtà fu l’astronomia.

Il sistema aristotelico-tolemaico (Tolomeo fu il matematico che elaborò la teoria matematica che descriveva il sistema aristotelico) era un sistema geocentrico: il Sole ruota attorno alla Terra, la Terra è immobile al centro dell’universo e ha forma sferica, mentre i corpi celesti si trovano su sfere concentriche e si muovono di moto circolare.

La fortuna incontrata da tale sistema era dovuta anche al fatto che era sostenuto dalla Chiesa. Essa sosteneva il sistema tolemaico principalmente per due motivi principali: uno legato alla visione teologica e religiosa dell’universo e l’altro alla coerenza con le credenze e le interpretazioni bibliche dell’epoca.

Il modello tolemaico, che posizionava la Terra al centro dell’universo con il Sole che ruotava attorno ad essa, era in linea con la visione teocentrica dell’universo sostenuta dalla Chiesa cattolica all’epoca. Questo modello metteva l’uomo al centro del progetto divino, conferendo all’umanità un ruolo centrale nell’universo creato da Dio. Questa prospettiva rafforzava l’idea di un universo ordinato da Dio per l’uomo, sottolineando la centralità dell’essere umano nella creazione divina.

Inoltre, il modello geocentrico di Tolomeo si adattava bene a diverse interpretazioni bibliche dell’epoca. Alcuni passaggi della Bibbia facevano riferimento a eventi che sembravano confermare che il Sole fosse in movimento, come ad esempio il “Fermati Sole” (Libro di Giosuè, capitolo 10, versetto 12).

¹² Quel giorno, quando il Signore diede a Israele la vittoria sugli Amorrei, Giosuè pregò il Signore e gridò alla presenza di tutti gli Israeliti:
'Sole, fermati su Gabaon!
e tu, luna, sulla valle di Aialon!
¹³ Il sole si fermò,
la luna restò immobile,
un popolo si vendicò
dei suoi nemici'.
Questo avvenimento è descritto nel 'Libro del Giusto'; per quasi un giorno intero il sole restò in alto in cielo, senza avviarsi al tramonto.
¹⁴ Un giorno come quello non c'è mai stato né prima né dopo di allora, quando il Signore ubbidì a un essere umano e combatté al fianco d'Israele.

Il moto retrogrado apparente è un fenomeno che è possibile osservare quando si guarda un pianeta che si muove nel cielo notturno: il pianeta sembra proseguire tranquillamente in una direzione quando, ad un certo punto, sembra invertire temporaneamente la sua direzione di moto. Questo accade solo in apparenza, perché in realtà i pianeti continuano a muoversi sulla loro orbita nella stessa direzione e non possono “tornare indietro”.

Per capire meglio, ci si immagini di essere in un’automobile su una strada diritta e parallela ad un’altra strada dove un’altra auto sta viaggiando nella stessa direzione ma più lentamente. Quando la propria auto supera l’altra, a un certo punto, sembrerà che l’altra auto stia andando all’indietro rispetto alla propria posizione, anche se in realtà sta continuando ad andare avanti. Questo è un effetto simile a quello che osserviamo con i pianeti.

Nel caso dei pianeti, la Terra e gli altri pianeti orbitano attorno al Sole a velocità diverse. Quando la Terra, che si muove più velocemente, sorpassa un pianeta esterno (come Marte, Giove o Saturno), quel pianeta sembra invertire la sua direzione di moto nel cielo per un periodo di tempo. Dopo un po’, il pianeta sembra riprendere la sua normale direzione di moto. Questo effetto si chiama “moto retrogrado apparente”. Non è un fenomeno molto frequente: con Marte è possibile vederlo circa ogni due anni ed è il più evidente, a causa della vicinanza con la Terra. Giove e Saturno presentano questo effetto circa una volta ogni due anni.

Nella seguente animazione creata con Geogebra è possibile dare un modello di quanto avviene nella realtà, in un sistema eliocentrico: la Terra (verde) gira più velocemente del pianeta che possiamo ipotizzare sia Marte (rosso). Un osservatore posto sulla Terra quando guarda il pianeta nel suo moto di rotazione ha come punti di rifermimento per l'osservazione il cielo delle stelle fisse (quella che nell'animazione viene definita “Immagine”). Nel momento del “sorpasso” il pianeta sembra tornare indietro.

Il problema è questo: il fenomeno è del tutto comprensibile se si ammette che la Terra orbiti intorno al Sole come gli altri pianeti. Ma se si ammette un sistema di tipo geocentrico la soluzione per spiegarlo è un po’ artificiosa. Infatti Tolomeo, per poter spiegare questo fenomeno, nella sua grande opera l’L’Almagesto fu costretto ad inventare il sistema degli epicicli e dei deferenti: ogni pianeta si muove su un piccolo cerchio chiamato epiciclo, il cui centro si muove lungo un cerchio più grande chiamato deferente, centrato sulla Terra. In questo modo Tolomeo riusciva effettivamente a spiegare con buona approssimazione i moti complessi dei pianeti, inclusi i movimenti retrogradi. Era però un sistema matematicamente molto complesso e poco elegante.

La seguente animazione creata con Geogebra mostra come, effettivamente, il modello degli epicicli possa spiegare il moto retrogrado. Il punto al centro del sistema è la Terra. Un osservatore posto sulla Terra, osservando un pianeta (il punto rosso) compiere la sua orbita con queste strane circonvoluzioni lo vedrebbe apparentemente ritornare indietro rispetto alla direzione della sua orbita.

Come abbiamo già spiegato, con il modello eliocentrico copernicano la spiegazione di questo fenomeno non presenta nessuna difficoltà.

Altri fenomeni che contraddicevano la teoria di Aristotele di uno spazio composto da materia perfetta (l’etere) era la presenza delle macchie solari e dei crateri sulla Luna. Come poteva un mondo lunare perfetto presentare tali anomalie?

Nel 1610 Galileo Galilei osservò, mediante il suo telescopio, i quattro principali satelliti di Giove.

Secondo la teoria di Aristotele, i corpi celesti erano perfettamente sferici e si muovevano in orbite circolari perfette, fissati su sfere cristalline concentriche, al cui centro stava la Terra. Queste sfere erano ritenute immutabili e non influenzate da nulla.

La scoperta di quattro corpi celesti che orbitavano attorno a Giove contraddiceva direttamente l’idea che tutti i corpi celesti ruotassero esclusivamente attorno alla Terra, mostrando che esistono centri di moto diversi dalla Terra. Inoltre non era più possibile sostenere l’esistenza di sfere cristalline rigide e immutabili su cui erano fissati i corpi celesti: i satelliti di Giove mostravano che i corpi celesti potevano muoversi liberamente nello spazio.

Galileo, osservando Venere attraverso il suo telescopio, notò che il pianeta mostrava una serie di fasi simili a quelle della Luna, passando da una falce sottile a una fase completamente illuminata e poi di nuovo a una falce. Queste fasi erano visibili solo se si ammetteva che Venere orbitava attorno al Sole e non attorno alla Terra.

A questo punto dovrebbe essere chiaro perchè uno studioso come Nicola Copernico iniziò a dubitare della correttezza del sistema tolemaico.

Il sistema degli epicicli e dei deferenti era un sistema complicato, macchinoso e poco elegante. Per di più, con tale modello, le previsioni delle posizioni dei pianeti non erano sempre accurate. Inoltre sistemi eliocentrici erano già stati proposti nell’antichità, come quello di Aristarco di Samo.

E’ importante anche ricordare l’influsso del neoplatonismo nella cultura rinascimentale, che enfatizzava l’armonia e la semplicità nell’universo. L’idea di un sistema più semplice e armonioso, come quello eliocentrico, era in linea con queste convinzioni filosofiche.

Tutti questi fattori portarono Copernico a sviluppare il suo modello eliocentrico, pubblicato nel 1543 nel suo trattato “De revolutionibus orbium coelestium”, sebbene il suo modello iniziale avesse ancora delle imperfezioni (le orbite erano infatti circolari e non ellittiche come poi dimostrerà Keplero).