Prime teorie

La meccanica celeste ha i suoi inizi nell’astronomia primitiva in cui i moti del Sole, della Luna e dei cinque pianeti visibili ad occhio nudo—Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno—sono stati osservati e analizzati. La parola pianeta deriva dalla parola greca per vagabondo, ed era naturale per alcune culture elevare questi oggetti che si muovevano sullo sfondo fisso del cielo allo status di dei; questo status sopravvive in un certo senso oggi in astrologia, dove si pensa che le posizioni dei pianeti e del Sole influenzino in qualche modo la vita degli individui sulla Terra. Lo status divino dei pianeti e la loro presunta influenza sulle attività umane potrebbero essere stati la motivazione primaria per un’attenta e continua osservazione dei moti planetari e per lo sviluppo di schemi elaborati per prevedere le loro posizioni in futuro.

L’astronomo greco Tolomeo (che visse ad Alessandria circa 140 ce) propose un sistema di moto planetario in cui la Terra era fissata al centro e tutti i pianeti, la Luna e il Sole orbitavano attorno ad essa. Come visto da un osservatore sulla Terra, i pianeti si muovono attraverso il cielo ad un tasso variabile. Essi anche invertire la loro direzione del movimento di tanto in tanto, ma riprendere la direzione dominante del movimento dopo un po’. Per descrivere questo moto variabile, Tolomeo ipotizzò che i pianeti ruotassero attorno a piccoli cerchi chiamati epicicli ad una velocità uniforme mentre il centro del cerchio epicicloidale orbitava attorno alla Terra su un grande cerchio chiamato deferente. Altre variazioni nel moto sono state contabilizzate compensando i centri del deferente per ogni pianeta dalla Terra da una breve distanza. Scegliendo la combinazione di velocità e distanze in modo appropriato, Tolomeo fu in grado di prevedere i moti dei pianeti con notevole precisione. His scheme was adopted as absolute dogma and survived more than 1,000 years until the time of Copernicus.

Nicolaus Copernico suppose che la Terra fosse solo un altro pianeta che orbitava attorno al Sole insieme agli altri pianeti. Dimostrò che questo modello eliocentrico (centrato sul Sole) era coerente con tutte le osservazioni e che era molto più semplice dello schema di Tolomeo. La sua convinzione che il moto planetario doveva essere una combinazione di movimenti circolari uniformi lo costrinse a includere una serie di epicicli per abbinare i movimenti nelle orbite non circolari. Gli epicicli erano come termini della serie di Fourier che sono usati per rappresentare i moti planetari oggi. (Una serie di Fourier è una somma infinita di termini periodici che oscillano tra valori positivi e negativi in modo uniforme, dove la frequenza di oscillazione cambia da termine a termine. Rappresentano approssimazioni sempre migliori ad altre funzioni man mano che vengono mantenuti sempre più termini.) Copernico ha anche determinato la scala relativa del suo sistema solare eliocentrico, con risultati che sono notevolmente vicini alla determinazione moderna.

Tycho Brahe (1546-1601), che nacque tre anni dopo la morte di Copernico e tre anni dopo la pubblicazione del modello eliocentrico del sistema solare di quest’ultimo, abbracciò ancora un modello geocentrico, ma aveva solo il Sole e la Luna in orbita attorno alla Terra e tutti gli altri pianeti in orbita attorno al Sole. Sebbene questo modello sia matematicamente equivalente al modello eliocentrico di Copernico, rappresenta una complicazione inutile ed è fisicamente scorretto. Il più grande contributo di Tycho furono gli oltre 20 anni di osservazioni celesti che raccolse; le sue misurazioni delle posizioni dei pianeti e delle stelle avevano una precisione senza precedenti di circa 2 minuti d’arco. (Un minuto d’arco è 1/60 di grado.)