Dalle stelle al GPS: come abbiamo imparato a sapere dove siamo
Oggi basta prendere in mano uno smartphone, aprire una mappa e osservare un piccolo punto sullo schermo. Siamo qui. Con una precisione che fino a pochi decenni fa sarebbe sembrata straordinaria, possiamo conoscere la nostra posizione, trovare una strada, calcolare un percorso e sapere quanto manca alla destinazione. Eppure dietro quel piccolo punto blu c’è una delle avventure scientifiche e tecnologiche più lunghe della storia umana. Per migliaia di anni, infatti, sapere dove ci si trovava non era affatto semplice.
Prima delle mappe c’era il cielo
Molto prima dei satelliti, delle bussole e dei cronometri, gli uomini avevano già a disposizione un gigantesco sistema di riferimento: il cielo. Il movimento apparente del Sole durante il giorno e la posizione delle stelle durante la notte permettevano di riconoscere direzioni e orientarsi. Nell’emisfero settentrionale una stella acquistò un’importanza particolare: la Stella Polare. La sua posizione nel cielo indica approssimativamente il Nord e la sua altezza sull’orizzonte permette anche di ricavare la latitudine. Il principio è sorprendentemente semplice: se la Stella Polare appare, per esempio, a circa sessanta gradi sopra l’orizzonte, ci troviamo approssimativamente a sessanta gradi di latitudine nord. È un metodo che, con strumenti e tecniche sempre più perfezionati, ha accompagnato la navigazione per secoli. Il cielo, insomma, è stato uno dei nostri primi sistemi di navigazione.
Per secoli il cielo è stato una delle principali guide dei navigatori, poi arrivò la bussola
Osservare le stelle funzionava bene, ma aveva un evidente limite: le stelle devono essere visibili. Nuvole, nebbia e cattivo tempo potevano trasformare la navigazione in un problema molto più difficile. La diffusione della bussola magnetica cambiò radicalmente la situazione. Una nave poteva mantenere una direzione anche quando il cielo non offriva riferimenti sufficienti. Ma conoscere la direzione non significava ancora conoscere esattamente la propria posizione. Per farlo occorrevano almeno due coordinate: latitudine e longitudine. Ed è qui che la storia diventa ancora più interessante.
Latitudine e longitudine: due numeri per descrivere un punto sulla Terra
Immaginiamo di avvolgere la Terra con una gigantesca griglia. Le linee orizzontali identificano la latitudine; quelle verticali la longitudine. La latitudine indica quanto siamo a nord o a sud dell’Equatore. La longitudine indica invece quanto siamo a est o a ovest di un meridiano di riferimento. L’idea è antichissima. Latitudine e longitudine sono state utilizzate in astronomia e navigazione fin dall’antichità, ma determinare le due coordinate durante un viaggio presentava difficoltà molto diverse. La latitudine poteva essere stimata osservando il Sole o le stelle. La longitudine, invece, rappresentò per secoli un problema molto più difficile. E per risolverlo sarebbe entrato in scena un elemento apparentemente lontanissimo dalla geografia: il tempo, ma questa storia merita un articolo tutto suo.
Dal cielo agli strumenti
Nel corso dei secoli l’osservazione astronomica diventò sempre più precisa. Astrolabi, quadranti e successivamente sestanti permisero ai navigatori di misurare gli angoli tra gli astri e l’orizzonte con crescente accuratezza. Le carte nautiche migliorarono. Gli strumenti migliorarono. Migliorò soprattutto la capacità di combinare informazioni diverse. Navigare significava mettere insieme osservazione, geometria, astronomia e tempo. È interessante notare quanto questo principio sia rimasto sostanzialmente immutato. Sono cambiati enormemente gli strumenti, ma continuiamo a determinare una posizione utilizzando riferimenti dei quali conosciamo la collocazione. Solo che oggi quei riferimenti non sono più necessariamente stelle. Sono anche satelliti artificiali.
E poi abbiamo portato le nostre “stelle” nello spazio
Il salto tecnologico è straordinario. Per millenni abbiamo guardato oggetti celesti lontanissimi per capire dove fossimo sulla Terra. Poi abbiamo costruito noi stessi dei punti di riferimento nel cielo. Il Global Positioning System, il GPS, utilizza una costellazione di satelliti che trasmettono continuamente segnali contenenti informazioni sulla loro posizione e sul tempo. Il ricevitore — quello presente anche nei nostri telefoni — utilizza queste informazioni per determinare posizione tridimensionale e tempo. I satelliti GPS orbitano a circa ventimila duecento chilometri dalla Terra e completano approssimativamente due orbite ogni giorno. La configurazione del sistema è progettata affinché da praticamente ogni punto del pianeta siano visibili almeno quattro satelliti. Non è quindi il satellite che guarda la nostra automobile e ci dice dove siamo. È il nostro ricevitore che ascolta i segnali provenienti dallo spazio e calcola la propria posizione. La differenza è importante.
Il GPS non deve “vedere” la nostra automobile: sono i satelliti a trasmettere e il ricevitore a calcolare la posizione.
C’è qualcosa di affascinante in questa evoluzione. I primi navigatori alzavano gli occhi verso il cielo e cercavano punti di riferimento. Oggi facciamo apparentemente qualcosa di completamente diverso: guardiamo uno schermo. Ma dietro quello schermo continuiamo, in un certo senso, a orientarci guardando il cielo. Sono cambiati i nostri punti di riferimento. Prima erano il Sole e le stelle. Poi arrivarono bussola, carte, strumenti astronomici e cronometri. Oggi sopra di noi viaggiano satelliti dotati di orologi estremamente precisi che trasmettono continuamente informazioni verso la Terra. E il piccolo punto che compare sullo smartphone è il risultato finale di migliaia di anni di astronomia, navigazione, matematica, fisica e tecnologia.
