Иоганн Кеплер: первооткрыватель законов движения планет
Иоганн Кеплер родился 27 декабря 1571 Г. в Южной Германии в семье протестантов. С детства он увлекался астрономией, у него сохранились воспоминания о яркой комете 1577 г. и затмении Луны 31 января 1580 г.
Благодаря отличной успеваемости Кеплер получил возможность учиться за казенный счет в училище Маульбрунского монастыря, где 3 марта 1588 г. наблюдал лунное затмение. Перейдя затем в Тюбингенскую семинарию, Иоганн Кеплер заинтересовался эзотерикой и астрологией, а впоследствии, уже в Тюбингенской академии, увлекся богословием, но из-за того, что его попытки толковать Священное Писание руководство академии рассматривало как ересь, карьера богослова оказалась для Кеплера закрыта, что привело его к занятиям математикой и астрономией.
В то время система мира излагалась в учебных заведениях по Клавдию Птолемею. Но преподаватель Кеплера, профессор Местлин (1550–1631), читавший студентам лекции по математике и астрономии, ввел его в круг немногих студентов, для которых у себя дома бесплатно читал лекции по астрономии Коперника. В результате Кеплер понял, что может «...прославить Бога и в астрономии», блестяще защитил в 1593 г. магистерскую диссертацию и получил аттестат с отличием. По ходатайству Местлина его назначили преподавателем математики в гимназии в Граце, в которой он проработал до осени 1597 г. В его обязанности входило также преподавание астрономии и составление ежегодных календарей для общего пользования.
Первым печатным произведением Кеплера был календарь на 1595 г. Календарь содержал статью о необходимости перехода на новый стиль летосчисления, а также информацию о приметах и астрологические прогнозы, как это было тогда принято. Без астрологических прогнозов календари никто не стал бы покупать. Продажа календарей и составление гороскопов обеспечивали Кеплеру дополнительный доход на протяжении всей его жизни.
После гонений 1597 г. католиков на протестантов Кеплер вынужден был оставить преподавание, и посвятил себя научной работе. Он начал исследования по оптике, магнетизму, метеорологии, хотел точнее определить параметры орбиты Луны, для чего ему понадобились данные астрономических наблюдений, которые имелись у Браге. 1 января 1600 г., после очередных гонений на протестантов, Кеплер уехал с семьей к Браге в Прагу, где прожил в результате 12 лет.
Летом 1627 г. Иоганн Кеплер после 22 лет трудов опубликовал астрономические таблицы, которые в честь императора назвал «Рудольфовыми». Спрос на них был огромен, так как все прежние таблицы давно разошлись с наблюдениями. Этот труд впервые включал удобные для расчетов таблицы логарифмов. Таблицы служили астрономам и морякам вплоть до начала XIX в. Через год после смерти Кеплера, в 1631 г., Пьер Гассенди (1592– 1655) наблюдал предсказанное им прохождение Венеры по диску Солнца.
Судьба Кеплера трагична. Его преследовали в католической стране как протестанта, семейная жизнь сложилась неудачно, он редко выбирался из бедности, дети умирали один за другим. Кеплер скитался по Европе времен Тридцатилетней войны. Умер он в Регенсбурге на постоялом дворе 15 ноября 1630 г. в ожидании жалованья, которого не получал много лет. В довершение всего в ходе войны было разрушено кладбище в Регенсбурге, где был похоронен ученый, и от могилы Кеплера не осталось и следа.
Часть архива Кеплера утрачена. В 1774 г. большую часть архива (18 томов из 22) приобрела Петербургская академия наук, там он и хранится до сих пор.
Законы движения планет и строение Вселенной по Кеплеру
Задача средневековых астрономов состояла в точном описании и предсказании движения планет. В качестве его причины они видели Божественный промысел. Истинной причиной движения планет, тем, почему в планетной системе именно шесть (известных на тот момент) планет, чем определяются их скорости и размеры орбит, впервые заинтересовался Иоганн Кеплер.
Он представил, что пять известных правильных выпуклых многогранников — платоновых тел — определяют геометрию системы планет и их можно поместить между планетными сферами. Кеплер подобрал такое чередование вписанных и описанных фигур, при котором отношение радиусов сфер планет было приблизительно как у Коперника. Он ввел додекаэдр, в который вписывалась сфера орбиты Земли. Описанная вокруг додекаэдра сфера была сферой Марса, вокруг нее описывался тетраэдр. Описанная вокруг тетраэдра сфера была сферой Юпитера. Вокруг сферы Юпитера был описан куб, а вокруг него описывалась сфера Сатурна.
В сферу Земли был вписан икосаэдр, в который вписывалась сфера Венеры с вложенным в нее октаэдром. Вписанная в октаэдр сфера была сферой Меркурия. Тайна космоса, по мнению 23-летнего Кеплера, состояла в геометрическом принципе симметрии: положение планет в системе зависело от симметрии платоновых тел. Геометрический принцип позволил Кеплеру объяснить число известных тогда планет и определить радиусы планетных сфер в единицах расстояния между Солнцем и Землей в сравнительно хорошем согласии с системой Коперника.
Самый большой вклад в астрономию Кеплер внес, открыв три закона движения планет, носящих с тех пор его имя.
- Каждая планета обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
- Радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади.
- Квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.
В своей работе Кеплер использовал прекрасные наблюдения планеты Марс, выполненные Тихо Браге, погрешность которых составляла всего несколько угловых минут. Первым на примере орбиты Земли был установлен второй закон Кеплера (закон площадей). При определении формы планетных орбит Кеплер фактически пользовался методом подбора, требовавшим огромного объема вычислительной работы. «Перебрав» множество замкнутых кривых, в частности, эквант (окружность с Солнцем, расположенным вне ее центра), овал (фигуру из четырех сопряженных дуг окружностей), овоид (фигуру яйцевидной формы), Кеплер остановился на эллипсе, с которым тоже ничего не получалось до тех пор, пока Кеплер не догадался поместить Солнце в один из фокусов этой геометрической фигуры. Тогда на эллипс легли все точки орбиты Марса, полученные из наблюдений.
Вычислив орбиту Марса, Кеплер на основании установленных закономерностей определил параметры орбит других планет. Сопоставив размеры орбит с периодами обращений планет, он получил третий закон. Однако Кеплер, установив законы движения планет, не мог понять причин, по которым планеты движутся именно таким образом. Лишь в конце XVII в. Исаак Ньютон выведет эти зависимости аналитически исходя из законов динамики и закона всемирного тяготения.
Научные труды Иоганна Кеплера
Иоганн Кеплер был разносторонне развитым человеком. Он изучал преломление света в воздухе (атмосферную рефракцию), описал понятие оптического изображения, явление полного внутреннего отражения света, общую теорию линз и их систем, выявил, как освещенность падает при удалении от источника света.
В 1610 г., после открытия Галилеем спутников Юпитера, Кеплер подтвердил их наличие и занялся теорией линз, в результате чего появилась фундаментальная работа «Диоптрика», в которой Кеплер предложил правильный физиологический механизм зрения, объяснил причины близорукости и дальнозоркости. Он описал схему телескопа, который к середине XVII в. вытеснил менее совершенный телескоп Галилея. Кеплер наблюдал и описал сверхновую 1604 г., названную впоследствии его именем, проанализировал симметрию снежинок, высказал гипотезу о том, что пирамидальная упаковка шаров имеет наибольшую плотность.
В 1615 г. Кеплер, покупая вино, заинтересовался способом, которым виноторговец определял его количество в бочке. Ученый стал рассчитывать объемы тел различных форм и в результате изучения 92 «неправильных» тел (бочек, различных фруктов и ягод, турецкой чалмы и т.п.) нашел способ определения объемов тел вращения, который описал в книге «Новая стереометрия винных бочек». Этот труд позднее лег в основу дифференциального и интегрального исчисления. Также он сформулировал так называемый «фотометрический парадокс»: если число звезд бесконечно, то в любом направлении взгляд наткнулся бы на звезду и на небе не существовало бы темных участков.