IL TELESCOPIO DI GALILEO

1. ILTELESCOPIODI GALILEO Breve storia dello strumento che ha rivelato il cielo e rivoltato il mondo

2. Le lenti e la loro storia • Le lenti erano note già nell’antica Grecia • Rozze e imperfette, erano usate più come strumenti ustori che per migliorare la visione L’ottica era una scienza importante: se ne occuparono Euclide, Aristotele, Lucrezio, Erone, Tolomeo; ma il problema era più filosofico (teoria della visione) che geometrico-scientifico.

3. Classificazione delle lenti Le prime lenti sono tutte di tipo biconvesso o piano-convesso, molto più facili da realizzare di quelle concave.

4. L’ottica degli arabi I primi a ottenere risultati corretti in ottica geometrica furono gli arabi, e In particolare Ibn-Al-Haytham (o Alhazen, 965 - 1039) che scoprì le leggi della rifrazione, cioè del cambiamento di direzione di un raggio luminoso all’interno di una lente.

5. In Europa, i primi a studiare le proprietà ottiche delle lenti furono Robert Grosseteste (1175 – 1253), Ruggero Bacone (1124 – 1194) ed Erazm Ciolek (Witelo o Vitellione, 1230? – 1285?), ma si trattava di studi qualitativi su lenti singole. «Se un uomo guarda le lettere o altre cose minute per mezzo di un cristallo o di un vetro sovrapposto alle lettere, e sia minore della sfera la parte la cui convessità è rivolta verso l’occhio, 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». (R.Bacone, Opus Maius, 1268)

6. Vedere in grande La lente convergente può essere usata in due diverse modalità: • Per ingrandire gli oggetti vicini 2) Per focalizzare un’immagine esattamente sulla retina dell’occhio

7. Un aiutino alla vista Quando l’occhio invecchia, il cristallino non riesce più a contrarsi a sufficienza e l’immagine si forma oltre la retina (ipermetropia o presbiopia). Ma anche le persone giovani possono soffrire di miopia, che avviene quando il cristallino focalizza l’immagine in un punto davanti alla retina. • Non sempre l’occhio umano riesce a focalizzare le immagini nel punto giusto, cioè sulla retina. Le lenti convergenti e divergenti possono aiutare la visione, modificando la direzione dei raggi luminosi che entrano nell’occhio in modo che il cristallino li possa focalizzare esattamente sui recettori della retina.

8. Due lenti sono meglio di una • I primi occhiali nacquero probabilmente in Italia, a Venezia o a Firenze, attorno al 1280, e cominciarono a essere rappresentati nelle opere d’arte. Sono nati certamente per caso, forse per la grande produzione di dischi di vetro da piombare nelle vetrate di moda all’epoca. La parola “lente” o “lenticchia” tradisce l’origine popolare, artigiana; a Venezia si chiamavano roidi da ogli. Erano distinti in “occhiali da giovani” e “occhiali da vecchi”. Francesco Petrarca dichiara candidamente che dopo i sessant’anni ne faceva uso. Tommaso da Modena, affreschi della sala capitolare della Chiesa di S.Nicolò a Treviso, 1352

9. Sembra impossibile, ma per più di due secoli nessuno pensò a montare due lenti in successione. Lenti e occhiali erano semplici strumenti da lavoro, umili e poco affidabili, e nessuno li utilizzava come strumenti scientifici. Lo studio dell’ottica come scienza avanzò faticosamente, con risultati confusi e contraddittori.

10. La geometria della visione • Nel 1400 a Firenze nasce con Brunelleschi, Alberti, Pacioli, Piero della Francesca, la scienza della prospettiva, che richiede un’ottica precisa e rigorosa e dà impulso allo studio scientifico degli strumenti ottici. • Con Leonardo da Vinci (camera oscura) e, soprattutto, con Francesco Maurolico (principi di funzionamento degli occhiali) la scienza ottica fece nella prima metà del ‘500 significativi passi avanti. Masaccio, Trinità Chiesa di S.M.Novella, Firenze L.B.Alberti?, Città Ideale, Galleria Nazionale delle Marche, Urbino

11. Ma allora, chi inventò il telescopio? A quanto sembra ne parlò per primo Giovan Battista della Porta (1538? – 1615) nel suo Magia Naturalis sive de miraculis rerum naturalium, una vera enciclopedia prima in 4, poi in 20 volumi che ebbe una diffusione enorme. Era una incredibile raccolta di corrette osservazioni e procedimenti scientifici, e vere e proprie ciarlatanerie. Ecco, ad esempio, un rimedio per le ferite: «Si prenda il muschio che cresce sul teschio di un uomo morto che giace insepolto, due once, la stessa quantità di grasso d’uomo, mezza oncia di mummia e di sangue d’uomo; un’oncia di olio di semi di lino, trementina, e bolo d’Armenia; si pestino insieme in un mortaio, e li si ponga in un contenitore di vetro lungo e stretto. Si intinga l’arma nella mistura e ve la si lasci: la mattina il paziente si lavi la ferita con la sua propria urina; e senza aggiungere altro, la si bendi stretta, e il paziente sarà guarito senza dolore».

12. Ma il Porta era anche un profondo conoscitore dell’ottica sperimentale, e aveva idee molto chiare sui principi di funzionamento delle lenti, dell’occhio e degli strumenti ottici. L’11° capitolo del suo libro si intitola: “Degli occhiali con li quali possa l’huomo veder di lontano, che avanza ogni pensiero”. E afferma: «Con la lente concava vedi nitidamente, ma impiccolite le cose lontane, con quella convessa più grandi, ma confuse, quelle vicine. Se saprai comporre giustamente le une e le altre, vedrai ingrandite e chiare tanto le cose lontane come quelle vicine. A molti amici, che vedevano ottenebrate le cose lontane, e confuse quelle vicine, abbiamo arrecato non poco aiuto, in modo che hanno potuto vedere tutto perfettamente». Parla del cannocchiale o degli occhiali? In realtà, il libro non contiene alcun progetto di un telescopio che possa funzionare correttamente.

13. Gli indizi a favore del Porta • Parlò certamente del suo cannocchiale con Paolo Sarpi, grande appassionato di scienze sperimentali e grande amico di Galileo; • Una lettera del 1580 afferma che Porta era a Murano «a fare uno strumento per vedere lontano»; • Nel 1586 lo stesso Porta scrive al Cardinale d’Este di poter «far occhiali che possono raffigurare un uomo alcune miglia lontano». ·Un documento del 1634 dichiara che nel 1604 a Middelburg, in Olanda, Zacharias Janssen costruiva cannocchiali su un modello pervenutogli dall’Italia e su cui era scritto “anno 1590”.

14. E’ nato! E’ nato! Ma non funziona… • E’ altamente probabile che il cannocchiale sia nato per caso in Olanda, nei primi anni del ‘600, e che da lì abbia iniziato a diffondersi nell’Europa del Nord come realizzazione artigianale e grossolana, in vendita nelle bancarelle dei mercati popolari; lungo circa 30 cm., ingrandiva gli oggetti non più di tre volte e dava immagini distorte e sbiadite per le numerose imperfezioni del vetro usato per le lenti. Va detto ancora che il primo tipo di cannocchiale olandese usava una lente convergente e una divergente: dei molti modi di costruire un cannocchiale, questo è il più difficile e delicato, ma è anche quello suggerito da della Porta. • Nel 1608 Johann Lippershey chiese agli Stati Generali d’Olanda il brevetto per la fabbricazione dei cannocchiali, fornendo come prova tre esemplari; il brevetto gli fu rifiutato perché i suoi strumenti funzionavano male e perché il “segreto” non era affatto tale.

15. Galileo Galilei nel 1609 Ha 45 anni, vive e lavora a Padova ed è nel pieno vigore fisico e intellettuale. Ma ha anche due problemi: 1) Ha bisogno di soldi 2) Ha un progetto personale da realizzare «Sono stupido, io. Non capisco niente di niente. Perciò sono obbligato a turare i buchi della mia conoscenza. E quando ho il tempo di farlo? Quando posso compiere delle ricerche […] se per sbarcare il lunario sono obbligato a inculcare, in ogni testa di rapa che abbia i soldi per pagarmi, che all’infinito le parallele si incontrano?» Bertolt Brecht, Vita di Galileo, scena 1 Galileo Galilei a 42 anni, ritratto da Domenico Robusti

16. Quasi una spy story Alla fine di luglio, Galileo a Venezia sente circolare la notizia che in Olanda hanno costruito uno strumento per vedere lontano esi rende subito conto dell’immenso valore militare che lo strumento avrebbe per la Serenissima. Con una manovra degna di un film di spionaggio, riesce a evitare che un olandese appena giunto in Italia lo proponga per primo alle autorità veneziane, e in due soli giorni, sfruttando le scarse informazioni che ha ricevuto, riesce a comprendere i principi di funzionamento e a costruire il suo telescopio. E’ uno strumento già molto migliore di quello olandese: lungo 80 centimetri, ha otto ingrandimenti e, in definitiva, un’ottica molto migliore.

17. Come costruii il mio primo telescopio Sono dieci mesi incirca, che pervenne a’ nostri orecchi un certo grido, esser stato fabricato da un tal Fiamingo uno occhiale, per mezzo del quale gli oggetti, benché assai distanti dall’occhio, si vedevan distintamente come se fussero vicini; e di questo effetto invero ammirabile si raccontavano alcune esperienze, le quali altri credevano, altri negavano. L’istesso pochi giorni dopo fu confermato a me per lettera di Parigi da un tal Iacopo Badovero, nobil francese; il qual avviso fu cagione che io mi applicai tutto a ricercar le ragioni ed i mezzi per i quali io potessi arrivare all’invenzione di un simile instrumento: la quale conseguii poco appresso, fondato sopra la dottrina delle refrazioni. E mi preparai primieramente un cannone di piombo, nelle estremità del quale accomodai due vetri da occhiali, amendue piani da una parte, ma uno dall’altra convesso e l’altro concavo: al quale accostando l’occhio, veddi gli oggetti assai prossimi ed accresciuti; poi ché apparivano tre volte piú vicini, e nove volte maggiori, di quello che si scorgevano con la sola vista naturale. Dopo mi apparecchiai un altro strumento piú esatto, che rappresentava gli oggetti piú di sessanta volte maggiori. Finalmente, non perdonando a fatica né a spesa alcuna, pervenni a tal segno, che me ne fabbricai uno cosí eccellente, che le cose vedute con quello apparivano quasi mille volte maggiori, e piú che trenta volte piú prossime, che vedute dall’occhio libero. • Galileo Galilei, Sidereus Nuncius, Firenze 1610

18. …e fu un trionfo! «Il Signor Galileo Galilei, avendo tenuto le sue lezioni presso l’Università di Padova per diciassette anni con soddisfazione di tutti, avendo mostrato al mondo numerose scoperte e invenzioni, ma in particolare avendo inventato uno strumento con il quale le cose lontane diventano facilmente visibili, poiché si conviene che questo Consiglio riconosca munificamente l’opera di coloro che servono il bene pubblico…» Dalla delibera del Consiglio dei Dieci che raddoppiava lo stipendio annuale di Galileo, Venezia, 1609 "Galileo presenta il telescopio al Senato veneziano radunato sul campanile di S. Marco a Venezia", affresco di Luigi Sabatelli, Tribuna di Galileo, Firenze.

19. In poche settimane, Galileo trasforma un giocattolo in uno strumento scientifico. Scegliendo i materiali e gli artigiani migliori, costruisce in pochi mesi diverse centinaia di telescopi, solo dieci dei quali funzionano; ma questi hanno un’ottica praticamente perfetta. Lente obiettiva di Galileo, Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze Il quinto esemplare ben riuscito già superava i 30 ingrandimenti lineari, ed è quello di cui Galileo parla nel Sidereus Nuncius.

20. Difetti e problemi del cannone-occhiale • La purezza delle lenti • La risoluzione angolare • Il campo visivo ridotto • L’aberrazione sferica • L’aberrazione cromatica

21. La purezza delle lenti • I vetri adoperati per la realizzazione di elementi ottici (lenti, specchi, prismi, ecc.), oltre a particolari e ben definite caratteristiche ottiche e meccaniche, devono essere omogenei ed esenti da difetti. Gli sbozzi non devono presentare tensioni interne le quali possono provocare irreparabili rotture del pezzo finito. Per gli elementi rifrangenti (lenti e prismi) è poi particolarmente importante che al loro interno non siano presenti bolle, dovute alla presenza di gas intrappolato nella massa vetrosa durante il raffreddamento, o inclusioni di altro genere. Le lenti dei primi telescopi, per la fabbricazione delle quali si adoperava il comune vetro dell'epoca, presentavano spesso al loro interno, in misura anche notevole, bolle, inclusioni e disomogeneità.

22. La risoluzione angolare La risoluzione angolare è la minima distanza angolare alla quale due oggetti si percepiscono come separati. Per i primi telescopi di Galileo essa era di circa 20’’; per i migliori esemplari, non meno di 10’’. Saturno nei disegni di Galileo

23. Il campo visivo • Il campo visivo del telescopio di Galileo era di soli 15’, così ridotto che non riusciva a inquadrare neppure l’intera superficie lunare, ma solo una metà circa. • Galileo disegnò le sue mappe della luna tra mille difficoltà: il freddo delle notti di dicembre gli faceva tremare le mani, e con esse l’intera struttura che reggeva il telescopio; inoltre doveva pulire spesso le lenti che si appannavano con l’umidità dell’aria e con il calore dell’occhio. • Con la riduzione del campo visivo, anche la luminosità dello strumento risultava estremamente bassa. Tutto ciò rendeva difficile e faticoso il puntamento e il conseguente utilizzo. Tra le tante persone che Galileo convinse a guardare attraverso il suo perspicillum, non poche dovevano essere sincere quando affermavano di non vedere nulla.

24. Aberrazione sferica • L'aberrazione sferica è un difetto che in un sistema ottico con lenti sferiche porta alla formazione di una immagine distorta. È provocato dal fatto che la sfera non è la superficie ideale per realizzare una lente, ma è comunemente usata per semplicità costruttiva. I raggi distanti dall'asse vengono focalizzati ad una distanza differente dalla lente rispetto a quelli più centrali.

25. Aberrazione cromatica - 1 • E’ un difetto nella formazione dell'immagine dovuta al diverso valore di rifrazione delle diverse lunghezze d'onda che compongono la luce che passa attraverso il mezzo ottico. Questo si traduce in immagini che presentano ai bordi dei soggetti aloni colorati. È un difetto dal quale, in diversa misura, sono affetti tutti i sistemi ottici. Schema dell’aberrazione cromatica Esempio di aberrazione cromatica: i bordi delle foglie appaiono blu

26. Aberrazione cromatica - 2 • L'aberrazione cromatica è un grosso problema per ogni apparecchio che voglia riprodurre un'immagine fedele, per esempio microscopi e telescopi. Tipicamente, l'aberrazione cromatica si manifesta come un alone attorno all'oggetto osservato, rosso da una parte e blu dall'altra. Questo perché rosso e blu sono ai due estremi dello spettro della luce visibile, e sono quindi i colori per i quali la differenza di rifrazione è maggiore. Il problema viene in genere risolto utilizzando lenti multiple di materiali con diversa dispersione, in modo che le differenze tra gli angoli di rifrazione per la stessa lunghezza d'onda si annullino tra loro: si parla quindi di doppietto acromatico, tripletto acromatico e così via. L'aberrazione cromatica può essere in questo modo grandemente ridotta, ma non del tutto eliminata. I dispositivi che usano specchi, invece, non soffrono di aberrazioni cromatiche.

27. Galileo astronomo Nonostante i difetti del suo strumento, Galileo vide molte cose nel cielo: • La superficie lunare • La via lattea • I satelliti di Giove • L’ammasso delle Pleiadi • Le fasi di Venere • Saturno “tergeminum” • Le macchie solari • Le nebulose • Le stelle lontanissime • La terra che illumina la luna • E altro ancora…

28. La superficie lunare – 1 Ricostruzione di una osservazione lunare di Galileo La luna fotografata con le tecnologie attuali

29. La superficie lunare –2

30. La superficie lunare - 3

31. I satelliti di Giove

32. Le fasi di Venere Sopra: disegno originale dal Sidereus Nuncius. Nelle foto: a destra, ricostruzione delle osservazioni originali di Galileo; a sinistra, foto attuali di Venere. Sotto: le fasi di Venere nel periodo agosto 1609 - aprile 1611.

33. Saturno tergeminum

34. Le macchie solari

35. Le tecniche di osservazione • Premessa: Galileo non ritiene completo un esperimento privo di adeguata misurazione.

36. Come misurare il moto dei satelliti di Giove? Galileo non si accontenta di avere osservato i quattro satelliti medicei ruotare attorno a Giove. E’ convinto che esista una legge matematica che descrive la regolarità del loro moto; sente quindi la necessità di misurare i loro periodi per poterli metterli in relazione con le distanze dal pianeta. Inventa allora un metodo per stabilire con precisione la loro posizione rispetto a Giove, in una scala che ha come unità di misura il raggio gioviano. L’invenzione consiste nell’affiancare al telescopio un braccio scorrevole che regge un disco di cartone sul quale è disegnata una griglia regolare, quasi come un foglio di carta millimetrata. Tenendo ambedue gli occhi aperti, il cervello dell’osservatore integra le immagini sovrapponendo la griglia alla visione telescopica, e inserendo così i corpi celesti in un reticolo di misurazione molto preciso.

37. Il reticolo di misurazione L’osservatore fa scorrere il disco lungo l’asse del telescopio tenendo i due occhi aperti. Quando vede il corpo celeste esattamente inserito nella struttura regolare della quadrettatura, può stimare le distanze degli oggetti vicini. (Da uno studio di Stillman Drake e William Shea)

38. La “quasi scoperta” di Nettuno Galileo osservò senza saperlo il pianeta Nettuno, ufficialmente scoperto nel 1846. Nei suoi appunti sulle osservazioni di Giove, registrò la posizione di quelle che credeva essere due stelle fisse, che chiamò a e b. Se le avesse osservate anche nei giorni successivi, si sarebbe accorto che b era un nuovo pianeta ancora più lontano di Saturno. (Da uno studio di Stillman Drake e Charles Kowal) Risulta evidente l’uso del reticolo per la misurazione delle distanze dei tre satelliti visibili da Giove. (5.40, 8.40, 20.40) Appunto manoscritto di Galileo del 28 gennaio 1613

39. L’elioscopio • E’ uno strumento che rende possibile osservare la superficie solare attraverso un telescopio senza restare accecati. • Galileo ne realizzò alcuni modelli basati sulle idee di Benedetto Castelli, suo allievo ed amico. Modello di elioscopio di Cristoph Scheiner

40. La disputa sulle macchie solari • Oltre alle solite discussioni sulla priorità della scoperta, rivendicata da molti astronomi del tempo, Galileo dovette affrontare una feroce diatriba sulla natura delle macchie solari. • Il suo rivale più determinato, il gesuita Christoph Scheiner, sosteneva che esse erano dovute ai passaggi di piccoli corpi celesti tra la terra e il sole; Galileo al contrario dimostrò che le macchie dovevano trovarsi vicinissimo o esattamente sulla superficie del sole, e che il loro movimento su di essa mostrava senza possibilità di dubbio che il sole ruotava su di un asse inclinato.

41. Fine della storia • Galileo non porta avanti la tecnologia del telescopio, né gli studi sull’ottica, come faranno invece Keplero, Newton e altri. • Il problema di Galileo è ormai su un altro piano, molto più filosofico che astronomico; ed è soprattutto un problema di rapporto tra fede e scienza, che lo condurrà dove sappiamo. • Le sue osservazioni astronomiche si diradano e la sua attenzione tornerà gradualmente agli studi di cinematica e di meccanica che aveva iniziato negli anni giovanili. • Galileo cercherà ancora qualche tentativo di applicazione pratica delle sue scoperte (giovilabio, celatone, microscopio,…) • Dei suoi strumenti ottici restano due telescopi (incompleti) e una lente obiettiva, custoditi al Museo di Storia della Scienza di Firenze.