Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.
Шрифт:
Эллипс с нулевым эксцентриситетом и его частный случай, окружность, являются кривыми и видом конических сечений, то есть сечений конуса плоскостью. В зависимости от взаимного расположения плоскости и конуса мы получаем эллипс, гиперболу и параболу. Эти названия были предложены Аполлонием Пергским (262-190 до н.э.), первым известным автором, изучавшим конические сечения.
Орбиты планет являются эллипсами, однако при гравитационном искривлении они могут иметь вид и других конических сечений. Когда объект приближается с большого расстояния на большой скорости, из-за воздействия гравитации
Конические сечения, полученные при сечении конуса плоскостью.
Также Кеплеру пришло в голову мысленно переместиться на Марс и, соответствующим образом трансформировав данные, получить детальное описание движения Земли.
В конце концов ученый увидел, что самая подходящая орбита – это эллипс, и сформулировал первый из своих законов: «Орбита планеты является эллипсом, в одном из фокусов которого находится Солнце». Этот закон подверг испытанию математический талант Иоганна Кеплера, однако результат достоин всякого восхищения.
Следующая удачная идея, которая привела к появлению второго закона, рассказана самим Кеплером:
«Таким образом, существует бесконечное количество точек на орбите и, соответственно, бесконечное количество расстояний, и тогда мне пришла в голову мысль, что сумма этих расстояний заключена в площади орбиты. Я вспомнил, что Архимед разделил таким же образом площадь круга на бесконечное количество треугольников».
Мы видим здесь идею, предшествующую дифференциальному анализу. Второй закон, о линейных скоростях, также сложно вывести даже сегодня. Его формулировка очень витиевата, однако не лишена изящества и, что самое главное, точности: «площади, которые могут быть пройдены за одинаковые промежутки времени, одинаковы» независимо от положения орбиты, на которой находится планета. Этот закон позволяет определить, как планета ускоряется от афелия к перигелию и замедляется от перигелия к афелию. Его практическое применение довольно сложно, и для того чтобы узнать положение планеты на орбите в каждый момент времени, сегодня применяется принцип сохранения кинетического момента.
Harmonices mundi, произведение, в котором Кеплер сформулировал третий закон планетарного движения, имеет более средневековый характер, чем Astronomia nova. Этот труд вдохновлен важной мистико-религиозной концепцией, согласно которой Солнце, представляющее Отца, вращается вокруг себя самого. Позже, благодаря движению солнечных пятен, Кеплер убедился, что это действительно так. Сила вращения исходит от Солнца, но ослабляется по мере отдаления от него, поэтому планеты, более близкие к светилу, перемещаются по своей орбите быстрее.
Надо сказать, что совершенно все равно, каким путем Кеплер пришел к своей идее, которая предвосхитила ньютоновскую теорию тяготения. С другой стороны, пылающий ум Кеплера сохранял все уважение к данным наблюдений. Бог создал человека по своему образу и подобию для того, чтобы тот мог оценить божественную геометрию. Ученый мог и должен был найти связь между отдаленностью планеты от Солнца и периодом ее обращения, но не придумать ее. И найдя эту связь, Кеплер достиг своих высот, предложив простую и идеально точную формулировку: «Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит».
На рисунке 1 расстояние представлено абсциссами, а периоды – ординатами. Посмотрим на четыре первые точки, соответствующие внутренним планетам (Меркурий, Венера, Земля и Марс). Рисунок 2 изображает искомую связь: на нем представлен логарифм периода в зависимости от логарифма расстояния. Угол наклона равен 3/2: период пропорционален степени 3/2 расстояния. Точки представляют планеты, за исключением Плутона. Чтобы получить период, надо умножить коэффициент пропорциональности на квадратный корень куба расстояния.
Можно подумать, что в те времена были неизвестны построения с абсциссами и ординатами, а тем более логарифмы, но это не так. Такие изображения уже более ста лет как были известны, хотя абсциссы называли субъектом, а ординаты – качеством. При помощи этого графика Доминго де Сото (1494-1570) открыл закон о свободном падении тел. Были известны логарифмы, введенные Джоном Непером (1550-1617). Кеплер не только знал труды последнего, но и посвятил ему одну из своих книг, а также ввел свои собственные логарифмы, кеплеровы. Как бы там ни было, ученый нашел важную формулу, которая управляет движением планет и обеспечивает недостижимую для многих физических формул точность.
РИС.1
РИС. 2
Находясь в Линце, Кеплер опубликовал монументальный труд Epitome astronomiae Copemicanae – восьмитомник, в котором ученый подводил итоги своей работы, предлагал новые методы для расчета положений планет, добавлял новые аргументы и представлял в общих чертах свою концепцию строения Вселенной. Работа публиковалась с1617по1621 год.
Слово «эпитомия», что значит «краткое изложение», кажется не очень подходящим для книги в восьми томах, даже несмотря на ее маленький формат. Также нельзя сказать, что она была посвящена астрономии Коперника, – скорее речь шла об астрономии Кеплера, который значительно усовершенствовал гелиоцентрические идеи.
Опубликовать книгу с таким названием было довольно смелым шагом в годы, когда конфликт Галилея с церковью уже достиг своего пика. Кроме того, в 1616 году работа Коперника была запрещена, и синодальный отдел внес в список крамольных книг первую часть Epitome, опубликованную в 1617 году. Однако Кеплер не остановился и продолжил работу над следующими томами, и это несмотря на то, что совсем недавно по приговору инквизиции был казнен Джордано Бруно.
После включения Epitome в список запрещенных книг Кеплер даже подумывал покинуть Линц, но ученого, вероятно, успокоил его друг Винченцо Бианчи, отметивший, что книги, включенные в такой перечень, читают больше всего! И действительно, хотя труд Кеплера распространялся подпольно, он вызывал огромный интерес.
Epitome включает аргументы в пользу вращения Земли, которые предшествуют принципу относительности Галилея, освещает законы планетарного движения и другие вопросы большей или меньшей важности. Книга написана в форме катехизиса, то есть вопросов и ответов. Стоит иметь в виду, что к тому времени уже был опубликован катехизис отца Астете (1537- 1601), который распространился по всему югу Европы и, выражая идеи Контрреформации, преподавался в школах до середины XX века.