Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.
Шрифт:
На смену геоцентрической птолемеевой системе пришла гелиоцентрическая система Коперника. Не стоит забывать, что она также была не совсем правильной, поскольку предполагала, что Солнце – это центр Вселенной. Кеплер усовершенствовал модель, но продолжал придерживаться исходного предположения, противоречащего современной науке. Однако смещение Земли с ее центрального места было шагом в верном направлении, и в результате следующих шагов Солнце также утратило привилегированное место во Вселенной. Об этом говорил еще Николай Кузанский. Итальянец Джордано Бруно, современник Кузанского, Кеплера и Галилея, защищал более современную космологическую систему: он говорил о том, что Солнце не является центром, а многие так называемые неподвижные звезды могут быть такими же светилами, как
Бронзовый барельеф работы итальянского скульптора Этторе Феррари, который изобразил Джордано Бруно перед судом инквизиции. Составляет часть статуи, воздвигнутой на площади Кампо деи Фиори в Риме, на том месте, где Бруно был сожжен.
Эти таблицы будут позднее названы Рудольфовыми. Браге и Кеплер отправились на прием к императору, который с воодушевлением встретил ученых. Кеплеру было назначено жалованье от империи, и начался самый интересный с научной точки зрения период жизни прославленного математика.
Семья Кеплера все еще оставалась в Граце. Кеплер и сам отправился туда для решения вопросов о наследстве умершего тестя. Приняли ученого в городе очень хорошо, однако само дело с наследством ничем не закончилось, и путешествие в этом смысле оказалось бесполезным. Кеплер вернулся в Прагу с женой Барбарой и Региной, ее дочерью от предыдущего брака, к которой ученый испытывал искреннюю отеческую любовь. Были у него с собой также расчеты размера Марса.
Кеплер должен был полностью подчиняться Тихо Браге, очень требовательному во всем, что касалось его главного сокровища – данных наблюдений. Кеплер мог изучать их, работать с ними, но не перекладывать и тем более копировать либо использовать с какой-нибудь другой целью, помимо подтверждения теории Браге об устройстве Вселенной. Эта теория занимала промежуточное положение между птолемеевой и коперниканской, и сам Кеплер в нее не верил.
24 октября 1601 года Тихо Браге умер от поражения мочевого пузыря. Кеплер глубоко переживал смерть коллеги. К тому же после того как тело Браге было отправлено на родину, в Данию, над математиком вновь нависла угроза оказаться на улице. К счастью, этого не произошло. Император назначил его на освободившийся пост придворного математика и оставил в распоряжении Кеплера все инструменты и данные его предшественника и уважаемого друга. Единственным условием было составление Рудольфовых таблиц.
Таким образом Кеплер стал единственным владельцем сокровища, которым он страстно желал обладать. Его жалованье составило 500 флоринов в год – сумму, гораздо меньшую, чем получал Браге, но гораздо большую, чем когда-либо зарабатывал сам ученый. Впрочем, бывало, что эти выплаты довольно сильно запаздывали.
Без всякого сомнения, это был самый продуктивный период в жизни Кеплера как астронома и астрофизика.
Смерть Тихо Браге окружена тайной. Чаще всего утверждается, что он умер от задержки мочи, спровоцированной тем, что ученый вовремя не воспользовался туалетом во время королевского приема. Болезненная агония продолжалась 11 дней. В последнее время появилась гипотеза, что Браге умер от отравления, потому что в его волосах было обнаружена высокая концентрация ртути. Когда начали искать причастных к убийству, подозрение пало на Кеплера. Некоторые даже утверждают, что он отравил своего коллегу, чтобы завладеть всеми данными наблюдений. Однако, зная характер Кеплера, эту нелепую гипотезу невозможно принять.
Кеплер
Приведем современную формулировку этих законов, а потом вспомним, как они появились. Итак, три знаменитых закона Кеплера:
– первый: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
– второй: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади;
– третий: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.
Площади Солнце-A-В, Солнце-С-D и Солнце-E-F, проходимые за одинаковые промежутки времени, равны.
Главная ось – это линия апсид, которая проходит от перигелия (самая близкая к Солнцу точка орбиты) к афелию (самая дальняя точка).
Первые два закона иллюстрирует рисунок. Эллипс – это геометрическое место точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух данных точек (фокусов эллипса) постоянна. Это определение было предложено самим Кеплером, и согласно ему Джеймс Клерк Максвелл предложил для построения эллипса метод садовника. Для этого в точки фокусов эллипса втыкаются две булавки, к ним привязываются концы нити, затем с помощью третьей булавки нить между иголками оттягивается в сторону. Булавка, оттягивающая нить, скользит, описывая эллипс. В фильме «Агора» режиссер Алехандро Аменабар рассказывает легенду о том, что этот метод изобрела женщина-астроном Гипатия.
Максимальное расстояние от центра эллипса до его границы называется большой полуосью (обозначим ее как а). Минимальное расстояние от центра до его границы называется малой полуосью (b). Эксцентриситет орбиты, е, определяется с помощью формулы:
b=a(1-e2)½
Когда эксцентриситет е равен нулю, b = а, эллипс является окружностью, а его фокусы совпадают в центре окружности. Когда е приближается к 1, эллипс становится все более вытянутым, приближаясь к отрезку при е = 1.
Второй закон подразумевает, что чем ближе планета к перигелию, тем больше ее скорость по сравнению со скоростью в афелии. Перигелий – это самая близкая к Солнцу точка орбиты, афелий – самая дальняя. При круговой орбите нет ни афелия, ни перигелия, и в этом случае скорость движения планеты постоянна.
Рассмотрим третий закон Кеплера для круговой орбиты с нулевым эксцентриситетом. В этом случае сила гравитационного притяжения, действующая на планету, равна ее массе под действием центробежной силы (V²/d):
где G является константой всемирного притяжения, М – массой Солнца, d – расстоянием планеты до Солнца и V – ее скоростью. G и М постоянны независимо от рассматриваемой планеты:
V²d= константа. [1]
Принимая во внимание формулу, которая соотносит линейную скорость V с угловой скоростью Ω,