Реферат по истории механики

Иоганн Кеплер

Выполнил:

Детство и юность

В двух десятках километров на запад от Штутгарта — главного города земли Баден-Вюртемберг (Германия), среди Живописных холмов невдалеке от лесистого Шварцвальда расположился небольшой провинциальный городок Вейль- дер-Штадт всего с шестью тысячами жителей. Многое напоминает здесь о давно минувших днях — древние городские стены, средневековые дома, старинная ратуша и церковь с тремя шпилями. На центральной площади памятник—на высоком постаменте застыл с циркулем в руке немолодой человек в старинной одежде.

Рассказывают, что когда в начале 1945 г. к городку подошли французские войска, командование решило подвергнуть Вейль-дер-Штадт мощному артиллерийскому обстрелу, опасаясь, что за крепкими стенами нашли убежище недобитые гитлеровцы. Однако огонь так и не был открыт: командир отменил артиллерийский налет, узнав, что перед ним родной город Кеплера. Это обстоятельство спасло городок от значительных разрушений и сохранило его
Древний облик.

В этом городе (носившем тогда более краткое название Вейль) 27 декабря
1571 г. в 2 часа 30 минут пополудни в доме бургомистра родился Иоганн
Кеплер — знаменитый астроном, физик и математик конца XVI — первой трети
XVII в. В те далекие времена в городке проживало всего около двухсот семейств бюргеров, в большинстве ремесленников: ткачей и кожевников.

Кеплеры обосновались в Вейле около 1520 г., когда сюда из Нюрнберга переселился прадед будущего астронома, скорняк Себальд Кеплер, сын переплетчика. У Себальда Кеплера, одно время выполнявшего обязанности городского казначея, была большая семья. Один из его сыновей, тоже Себальд, женатый на Катерине Мюллер из ближнего городка Марбах, был с 1569 по 1578 г. бургомистром Вейля. И его бог не обидел детьми ( их было ровно дюжина.
Четвертым по старшинству был Генрих, отпраздновавший 16 мая 1571 г. свадьбу с дочерью деревенского трактирщика из соседнего селения Эльтингена
Катериной Гульденман. Жениху и невесте было в то время по 24 года. Через семь с половиной месяцев после свадьбы у них появился первенец — маленький и очень слабый ребенок, названный при крещении Иоганном.

О неблагоприятной обстановке, в которой прошло детство ученого, можно судить по характеристикам, которые Кеплер дал своим ближайшим родственникам в фамильном гороскопе, составленном им уже в зрелом возрасте, в 1597 году.
Вот что он пишет о своем отце:

«Генрих, отец мой, родился 19 января 1547 года. ... Человек злобный, непреклонный, сварливый, он обречен на худой конец ..., скиталец ... в 1574 г. мой отец уже в Бельгии. В 1575 мать отправилась в Бельгию и вместе с отцом возвратилась. В 1576 отец опять оказался в Бельгии, а в 1577 ... едва избежал опасности быть повешенным. Он продал свой дом и открыл харчевню. В
1578 ... воспламенилась банка ружейного пороха и изуродовала лицо отца ... в 1589 ... оставив мать тяжело больной, он исчез из дому окончательно ...».
В таком окружении грубых необразованных людей прошли первые годы жизни маленького Иоганна. Его детство и юность были омрачены и другими обстоятельствами — отсутствием надлежащего ухода и очень слабым здоровьем, предрасполагавшим к частым и длительным заболеваниям. Слабое здоровье было серьезным препятствием для астрономических наблюдений в холодные ночи, но еще большим препятствием был врожденный недостаток зрения — сильная близорукость и монокулярная полиопсия (множественное зрение) — состояние глаза, обычно неисправимое, при котором фиксируемый одиночный объект кажется множественным.

Известной компенсацией за невзгоды детства была для Кеплера относительная доступность образования в тогдашнем Вюртемберге. Хотя родителей, видимо, мало заботило образование Иоганна, в семилетнем возрасте
(в 1578 г.) они поместили его в начальную немецкую школу, где обучали чтению, письму и элементарным навыкам в вычислениях.

Еще перед окончанием школы родители стали думать, что делать дальше с мальчиком. Малосильность и слабое здоровье не позволяли использовать его на тяжелых полевых работах. Советы учителей, денежные соображения и в меньшей мере религиозные побуждения привели их к решению выбрать для ребенка духовную карьеру. Путь к высоким духовным постам давало окончание теологического факультета университета, для поступления на который нужно было окончить низшую и высшую семинарии. Кеплер начинает обучение в 1584 году в грамматической школе (низшей семинарии) в Адельсберге, а через 2 года, с 26 ноября 1586 г., продолжает учебу в высшей семинарии в
Маульбронне. Программа обучения была очень обширная: кроме богословия, изучались римские и греческие классики, риторика и диалектика, математика и музыка. Режим был жесток: занятия в классах начинались зимой в 5 часов утра, а летом — в 4.

25 сентября 1588г. Кеплер выдерживает в Тюбингене экзамен на степень бакалавра, после чего еще год продолжает учебу в Маульбронне. 17 сентября
1589 г. начинается его учеба в Тюбингенском университете. Среди преподавателей университета, имевших влияние на молодого Кеплера, следует отметить профессора классической филологии Мартина Крузиуса (1526 — 1607), богослова Маттиаса Гафенреффера (1561 — 1619), позже ректора университета, и особенно Михаэля Местлина (1550 — 1630). Местлин очень скоро заметил необычайные способности Кеплера к математике и астрономии, проявлявшиеся, в частности, в том, что тот выводил новые теоремы (как их тогда называли — предложения) и делал построения, лишь потом убеждаясь, что они уже известны. Местлин ввел молодого ученого в круг немногих своих воспитанников, пользовавшихся его особым доверием, среди которых он пропагандировал коперниканское учение. Наряду с астрономией Кеплер уже в те годы интересовался астрологией, что для него было не только данью времени, но и соответствовало его тогдашним представлениям о причинности и взаимосвязях между явлениями. Среди студентов он слыл большим мастером в составлении гороскопов.

Во второй половине 1594 г. теологическое образование Кеплера должно было завершиться. Но в первые месяцы этого года, прежде чем он смог получить документы об окончании университета, открывавшие ему формально путь к блестящей духовной карьере, неожиданно произошли события, в результате которых наметился решающий поворот в его жизни и деятельности. В протестантской средней школе в Граце, главном городе австрийской провинции
Штирии, скончался преподаватель математики, воспитанник Тюбингена Георг
Стадиус. Штирийская протестантская община обратилась в сенат Тюбингенского университета с просьбой подыскать достойного преемника среди университетских воспитанников. Преподавателей математики в Тюбингене, как, видимо, и в других тогдашних университетах, специально не готовили, и выбор сената, не без участия Мёстлина, пал на 22-летнего магистра искусств
Иоганна Кеплера, лучше других подготовленного к этой деятельности. Хоть и не хотелось Кеплеру оставлять учебу, а вместе с ней и мечту о духовной карьере, а деваться было некуда — он был обязан подчиниться постановлению сената и отправиться по назначению. «Я воспитывался на счет герцога
Вюртембергского и ... решился принять первую предложенную мне должность, хотя и с не особенной охотой», — писал он позже.

Кеплер в Граце. «Космографическая тайна»

Обстановка, окружавшая Кеплера в Граце, мало благоприятствовала его научной деятельности. Ибо, как заметил его друг Коломан Цегантмаир, секретарь барона Герберштейна, штирийская знать проявляла поразительное невежество во всем, обладала варварской точкой зрения в своих суждениях, ненавидела науку и ничем меньше не интересовалась, чем учеными. Предмет, преподавать который предстояло Кеплеру, не вызывал у дворянских и бюргерских отпрысков энтузиазма. Изучение математики не было, видимо, обязательным, и если в первый год его уроки еще посещало несколько учащихся, то на следующий не осталось ни одного. Однако контролировавшие работу преподавателей инспекторы оказались достаточно великодушными, не ставя это в вину учителю, так как, по их мнению, на «изучение математики не всяк способен». Взамен математики Кеплеру пришлось преподавать арифметику, классическую литературу (Вергилия), риторику и другие предметы.

Вместе с должностью преподавателя по существовавшей традиции он приобретал также звание и должность «Landschaftsmathematikus» (т. е. математика провинции [Штирии]), ему вменялось также в обязанность ежегодно составлять календари. В изданном в две краски первом календаре Кеплера содержались различные астрономические сведения, в том числе данные о фазах
Луны, о положении планет и Солнца среди звезд, краткие статьи об астрономических и физических явлениях. Следуя давно установившейся традиции, а также заботясь о «сохранении жалованья, должности и крова», пришлось «для удовлетворения безрассудно-глупого любопытства» приложить к календарю «Прогнозы» («Prognostika») — виды на погоду и на урожай, политические и иные предсказания астрологического характера. Кеплер неоднократно весьма скептически и довольно самокритично оценивал свои занятия составлением календарей и астрологией для заработка. В одном из писем он высказывается так: «Чтобы ищущий истину мог свободно предаваться этому занятию, ему необходимы по меньшей мере пища и кров. У кого нет ничего, тот раб всего, а кому охота идти в рабы? Если я сочиняю календари и альманахи, то это, без сомнения,— прости мне, господи,— великое рабство, но оно в настоящее время необходимо. Избави я себя хоть на короткое время от этого — мне пришлось бы идти в рабство еще более унизительное. Лучше издавать альманахи с предсказаниями, чем просить милостыню. Астрология — дочь астрономии, хоть и незаконная, и разве не естественно, чтобы дочь кормила свою мать, которая иначе могла бы умереть с голоду». Воздействие небесных светил на обитателей Земли Кеплер пытался объяснить в связи с появлением кометы 1607 г. следующим образом: «Если действительно верно, что согласно порядку природы появление кометы вызывает, а значит и предвещает такие явления, как ветер, наводнения, засуху, землетрясения или чуму, то это должно происходить следующим образом: когда на небе появляется какой- нибудь исключительный феномен, то жизненные силы всех естественных вещей должны испытывать это. Эта симпатия, связывающая все с небом, простирается в особенности на силу, скрытую в Земле и господствующую над ее внутренним состоянием. Вследствие этого из Земли выделяются влажные испарения, влекущие за собой дожди, наводнения, а под конец и чуму». Однако ограниченный характер астрологических предсказаний не раз подчеркивался
Кеплером: «Тот астролог, который предсказывает некоторые вещи по небу, не учитывая характера, души, разума, силы и телосложения того, кому он должен предсказать, поступает неправильно»,—писал он.

В то же время вера Кеплера в астрологию подтверждается многими фактами, и среди них следующим: в январе 1598 г. у него родился сын Генрих, а у Местлина — сын Август. Составляя им гороскопы, Кеплер пришел к выводу, что обоих ждет скорая смерть. Не искажая этот страшный прогноз, он сообщает его Местлину. Дети и в самом деле вскоре умерли, но не в предсказанное время.

Летом 1595 г. Кеплер, как ему показалось, подошел к большому открытию: он решил, что им обнаружены важнейшие закономерности в строении мира, установлена первопричина взаимного расположения планет Солнечной системы. Еще в студенческие годы, познакомившись через Местлина с учением
Коперника, Кеплер стал убежденным его приверженцем. При этом, однако, новое астрономическое учение укладывалось у него в рамки религиозного сознания, откуда и черпались им источники новых построений. Стремясь глубоко проникнуть в тайны строения Вселенной, он хочет достичь этого познанием божественных планов творения мира. Будучи уверенным в существовании мудрого промысла божьего, он думает, что при сотворении мира бог должен был исходить из простых числовых свойств и соотношений, использовать совершенные геометрические формы. Этот пифагорейско-платоновский подход к изучению вопросов мироздания лег в основу его первого большого астрономического исследования, интенсивную работу над которым он развернул примерно через год после приезда в Грац.

В числе первых вопросов, возникших перед Кеплером, был следующий: почему существует только шесть планет, а не двадцать, или, скажем, сто?
Этот вопрос предстояло решить вместе с объяснением относительной величины расстояний между траекториями движения планет. Попыткой ответить на вопросы такого рода начались многолетние исследования, которые в конце концов привели к открытию законов движения планет. Сначала он предположил, что между параметрами планетных орбит должны быть простые соотношения, выражающиеся целыми числами. «Я затратил много времени на эту задачу, на эту игру с числами, но не смог найти никакого порядка ни в численных соотношениях, ни в отклонениях от них» — пишет он в предисловии к
«Космографической тайне». Затем он попытался решить эту задачу, предположив существование дополнительных, еще не открытых по причине малых размеров, планет: одну из них он поместил между Меркурием и Венерой, а другую — между
Марсом и Юпитером, рассчитывая, что теперь удастся обнаружить желанные соотношения, но и этот прием не привел его к ожидаемым результатам.

Рис. 1

«Я потратил почти все лето на эту тяжелую работу, и в конце концов совершенно случайно подошел к истине». 9 июля 1595 г. — Кеплер скрупулезно зафиксировал эту дату, — решая с учениками какую-то геометрическую задачу, он начертил на классной доске равносторонний треугольник со вписанной в него и описанной около него окружностями (см. Рис.1). Внезапно его озарила мысль, которая явилась, по его мнению, ключом к разгадке тайны Вселенной.
Прикинув отношение между радиусами окружностей, он заметил, что оно близко к отношению радиусов круговых орбит Сатурна и Юпитера, как они были вычислены Коперником (здесь отношение R : r = 2 : 1, а отношение RС : RЮ =
8.2 : 5.2, по Копернику). В дальнейшем ход рассуждений был таким: Сатурн и
Юпитер — «первые» планеты (считая по направлению к Солнцу) и «треугольник — первая фигура в геометрии. Немедленно я попытался вписать в следующий интервал между Юпитером и Марсом квадрат, между Марсом и Землей — пятиугольник, между Землей и Венерой —шестиугольник...». Во времена Кеплера было известно только шесть планет Солнечной системы, наблюдаемых невооруженным взглядом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн.
Планета Уран была открыта В. Гершелем много позже — в 1781 г., Нептун открыт астрономом Галле и математиком Леверье в 1846 г., Плутон был обнаружен только в 1930 г.

Но дело не ладилось, хотя, казалось, цель была совсем близкой. «И вот я снова устремился вперед. Зачем рассматривать фигуры двух измерений для пригонки орбит в пространстве? Следует рассмотреть формы трех измерений, и вот, дорогой читатель, теперь мое открытие в Ваших руках!». Можно построить любое число правильных многоугольников на плоскости, но можно построить лишь ограниченное число правильных многогранников в пространстве трех измерений. Такими правильными многогранниками, все грани которых являются правильными и равными между собой многоугольниками и все двугранные углы которых равны между собой, являются: тетраэдр (4 треугольные грани), куб (6 граней-квадратов), октаэдр (8 треугольных граней), додекаэдр (12 пятиугольных граней) и икосаэдр (20 треугольных граней).

Важным свойством правильных многогранников является существование для каждого из них вписанного и описанного шаров (сфер) таких, что поверхность вписанного шара касается центра каждой грани правильного многогранника, а поверхность описанного шара проходит через все его вершины. Центры этих шаров совпадают между собой и с центром соответствующего многогранника. Еще древним грекам было известно, что число видов правильных многогранников ограничивается пятью. Но ведь и промежутков между планетами, подумал
Кеплер, тоже пять. Как трудно было допустить, что это простая случайность
(к тому же умозаключение опиралось на неверное представление о числе планет) и как заманчиво было видеть в этом совпадении мудрость творца.
Ответ на вопрос, почему планет шесть, не меньше и не больше, казалось найден. Одновременно назревает и решение вопроса об относительных расстояниях между орбитами планет: в сферу, на которой расположена орбита
Сатурна, вписан куб, в него вписана следующая сфера — с орбитой Юпитера, далее последовательно вписаны тетраэдр, сфера Марса, додекаэдр, сфера
Земли, икосаэдр, сфера Венеры, октаэдр, сфера Меркурия, в центре всей системы у коперниканца Кеплера, разумеется, Солнце, и — тайна Вселенной раскрыта, раскрыта молодым учителем протестантской школы в Граце и математиком провинции Штирии.

Рис. 2 Правильные многогранники (из книги Кеплера «Космографическая тайна»)

Математический аппарат, применяемый в этом случае, достаточно элементарен, дело сводится к вычислениям зависимостей между радиусами сфер, описанных вокруг соответственных правильных многогранников и вписанных в них. Пусть, например, радиус орбиты Земли, а значит и соответствующей сферы, равен 1. Эта сфера описана вокруг икосаэдра, в который вписана сфера
Венеры. Решая геометрическую задачу на определение радиуса сферы, вписанной в икосаэдр, и сравнивая полученную величину с радиусом описанной вокруг икосаэдра сферы Кеплер получил соотношение 0,762 : 1. Относительные расстояния до Солнца для шести планет Солнечной системы, полученные
Коперником и Кеплером, и современные усредненные значения приводятся в таблице:

| |Меркурий|Вене|Земл|Марс|Юпите|Сатур|
| | |ра |я | |р |н |
|По Копернику |0,379 |0,71|1,00|1,52|5,219|9,174|
| | |9 |0 |0 | | |
|По Кеплеру |0,419 |0,76|1,00|1,44|5,261|9,163|
| | |2 |0 |0 | | |
|Современные усредненные |0,387 |0,72|1,00|1,52|5,203|9,539|
|значения | |3 |0 |4 | | |

Видим, что данные Кеплера весьма значительно отличаются от вычисленных еще Коперником, и притом во всех случаях — в сторону ухудшения. Объясняя эти расхождения, Кеплер предположил, что каждая из планетных сфер, не будучи материальной, тем не менее имеет некоторую толщину.

Закончив рукопись, Кеплер озаглавил ее так: «Prodromos dissertationem cosmographicum continens Mysterium cosmographicum» — «Предвестник космографических исследований, содержащий космографическую тайну».

Главный поиск. «Новая астрономия»

Над «Новой астрономией» Кеплер работал с небольшими перерывами с 1600 по 1606 г. Значение этой книги состоит прежде всего в том, что в ней дан вывод двух из трех знаменитых законов движения планет, названных его именем. В современной формулировке эти законы обычно звучат так:

I. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых
(общем для всех планет) находится Солнце.

II. Площади, описываемые радиусами-векторами планет, пропорциональны времени.
Третий закон был опубликован Кеплером позже, в 1619 г., в книге «Harmonices
Mundi» («Гармония мира»). Кеплерово сочинение и по форме и по содержанию значительно отличается от многих научных трактатов того времени. Если
Коперник, Галилей и Ньютон знакомят нас только с конечными результатами своих научных достижений, то Кеплер совершенно сознательно описывает ход своей работы во всех деталях, включая все неудачи и успехи, ошибки и гениальные догадки, ловушки и их обходы. Почему он так поступает, он объясняет в предисловии: «Для меня важно не просто сообщить читателю, что я должен сказать, но прежде всего ознакомить его с доводами, оговорками, счастливо преодоленными опасностями, которые привели меня к моим открытиям.
Когда Христофор Колумб, Магеллан и португальцы, из которых первый открыл
Америку, второй Китайский океан, а последние — морской путь вокруг Америки, повествуют, как они сбивались с пути и блуждали в своих путешествиях, мы не только прощаем им это, но, более того, мы не желаем пропуска этих рассказов, так как тогда при чтении было бы потеряно впечатление о всем значительном в их предприятиях. Пусть же поэтому и мне не поставят в вину, когда я, вызывая у читателя интерес, пойду подобным путем в своем изложении. Конечно, при чтении, например похождений аргонавтов, мы сами не принимаем участия в их злоключениях, а трудности и тернии на моем мысленном пути могут задеть и самого читателя, но таков уж жребий всех математических сочинений».

Кеплер начал свое исследование составлением на основании наблюдений
Тихо Браге полного списка моментов, долгот и широт для всех противостояний планеты Марс с 1580 г. (Браге наблюдал противостояния Марса десять раз с
1580 по 1600 г., два раза — в 1602 и 1604 гг. их наблюдал Кеплер). Еще
Коперник, следуя Птолемею, считал центр земной орбиты истинным центром орбит всех планет. Браге также определял противостояние планеты как положение, противоположное этой точке, т. е. так называемому «среднему
Солнцу». Кеплер уже в «Космографической тайне» указывал, что Солнце само является естественным центром планетной системы, и считал, что противостояние следует брать по отношению к реальному, а не к среднему
Солнцу. Это было первым существенным нововведением в методы исследования.

Кеплер впервые предположил, что движение планет происходит вследствие воздействия на них некоей силы, исходящей от Солнца. Таким образом, у
Кеплера Солнце становится не только источником света и тепла для всей планетной системы, но также и источником движущей планеты силы.
Второе нововведение Кеплера заключалось в следующем. Орбиты всех планет лежат не совсем в одной плоскости — их плоскости образуют одна с другой небольшие углы (например, плоскости орбит Земли и Юпитера составляют угол в
1°18,5'). Если не учесть этот факт, приходится встречаться с большими затруднениями при объяснении некоторых особенностей в наблюдаемых с Земли положениях Марса. Коперник, например, считал, что плоскость орбиты Марса колеблется в пространстве, не интересуясь физической причиной такого странного явления. Предположив, что дело здесь в наличии некоторого постоянного угла между плоскостями планетных орбит, Кеплер без особого труда, по данным наблюдений Браге, убеждается в правильности своей гипотезы и находит угол между плоскостями орбит Земли и Марса равным 1°50'.

Третье нововведение Кеплера более радикально. От Платона и Птолемея до
Коперника и Браге астрономы были уверены в том, что планеты совершают свои круговые движения с равномерной скоростью. Кеплер, сохраняя на первых порах движение круговым, отбрасывает аксиому равномерного движения. И при этом он руководствуется прежде всего физическими соображениями: если Солнце управляет движением, является его источником, то его сила должна действовать на планету более интенсивно, когда она находится ближе к источнику, и менее интенсивно, когда планета от него удалится, следовательно, планета будет двигаться с большей или меньшей скоростью в зависимости от ее расстояния до Солнца. Эта идея была не только отрицанием античной традиции, она отвергала и предположение Коперника, по которому не могло быть, « ... чтобы простое небесное тело неравномерно двигалось одной сферой ... ». Коперник был в свою очередь решительно не согласен с учением
Птолемея о том, что планеты движутся равномерно не вокруг центров своих орбит, а вокруг воображаемой точки на некотором расстоянии от центра. Эта точка называлась punctum aequans или aequant (уравнивающей точкой, или эквантом). Коперник, отказавшись от птолемеевых эквантов, ввел вместо них добавочные эпициклы. Кеплер, отбрасывая догму равномерного движения, возвратился к понятию экванта, рассматривая его как важное вычислительное средство.

Этими нововведениями Кеплер несколько облегчил предстоящее решение своей задачи. Кеплер писал: «Ох, сколько я должен был пролить слез над трогательным старанием Апиана, который, следуя Птолемею, зря тратил свое драгоценное время и изобретательность на построение спиралей, петель, винтовых линий, завитков и целого лабиринта инволюций, чтобы изобразить то, что существует только в воображении и которое природа отказывается принять как свое подобие».

Рис. 3

Первая попытка решить задачу описывается Кеплером в XVI главе «Новой астрономии». Его задача состояла прежде всего в определении некоторых параметров орбиты Марса, которую, напомним, Кеплер пока еще полагал круговой. Нужно было определить радиус орбиты (см. Рис. 3), направление по отношению к неподвижным звездам линии аспид, т.е. оси, соединяющей точку, в которой планета бывает ближе всего к Солнцу (перигелий), и противоположную ей точку (афелий), а также положение Солнца (S), центра орбиты (C) и экванта (Е), которые лежат на этой оси. Из журналов наблюдений Тихо Браге, которыми он теперь располагал, он выбрал запись о четырех наблюдавшихся противостояниях Марса — в 1587, 1591, 1593 и 1595 гг. В самом начале своих вычислений Кеплер по рассеянности допускает несколько ошибок, которые должны были бы существенно повлиять на правильность вычислений. Кеплер так и не заметил их до конца своей работы, но их обнаружил французский историк астрономии Деламбр. Тем не менее исправленные Деламбром вычисления в результате дали почти те же значения — оказалось, что в самом конце вычислений Кеплер при делении снова допустил ошибки, перекрывшие первые! В результате вычислений Кеплер получил полный эксцентриситет, равный 0,18564 долям радиуса, причем Солнце отстоит от центра на 0,11332, а эквант — на
0,07232 доли радиуса (современная теория показывает, что оба расстояния должны быть приблизительно равны 0,5625 и 0,4375 полного эксцентриситета; значения, полученные Кеплером — 0,6104 и 0,3896 соответственно). Долгота афелия для 1587 г. составляла 148°48’55’’. Полученные им значения при подстановке в данные десяти наблюдений Браге расходились менее чем на 2’, что было вполне допустимым.

Однако уже следующая глава начинается удивленным возгласом: «Как же это могло быть? Гипотеза, которая хорошо согласуется с наблюдениями противостояний, все же ошибочна». И в двух последующих главах Кеплер обстоятельно объясняет, как он установил, что гипотеза ложна и почему ее нужно отвергнуть. Пытаясь применить свою модель к вычислению промежуточных положений Марса по данным наблюдений Браге, Кеплер обнаруживает расхождение теории с практикой, достигающей в численном выражении 8’.

Следующий этап исследований Кеплер описывает в книге третьей.
Многократные вычисления говорят Кеплеру о том, что невозможно построить круговую орбиту планеты, полностью соответствующую данным наблюдений.
Окружность полностью определяется заданием трех точек на ней, любая другая кривая линия требует знания положения большего количества точек на ней. Для определения формы орбиты Марса, копь скоро она не была окружностью, требовалось прежде всего уточнить орбиту небесного тела, на котором размещен наблюдатель, т. е. самой Земли. Ведь из неправильного представления о движении наблюдателя выводы о движении наблюдаемых объектов будут тоже неверны. Если бы было возможно в каждый момент времени находить непосредственно величину отрезка Земля — Солнце. Но такой возможности у
Кеплера не было. Другой принципиально возможный случай заключается в выборе в пространстве некоторого неподвижного ориентира о котором известно, что он в течение длительного времени сохраняет свое положение неизменным. Тогда земные наблюдатели могли бы при необходимости визировать направление на него.

Рис. 4

Допустим, что в определенный момент времени Земля (З) находится на прямой, соединяющей Солнце (С) с нашим ориентиром М (см. Рис. 4). Если в это время визировать с Земли направление на ориентир М, то получим направление СМ (Солнце—ориентир). Пусть это направление зафиксировано на небесном своде. Рассмотрим положение Земли в другой момент (З1). Если и
Солнце (С) и ориентир М видны с Земли (З1) то в треугольнике СЗ1М известен угол ( = СЗ1М. Направление прямой СМ относительно неподвижных звезд определено раз и навсегда. Но теперь, установив направление на Солнце З1С прямым наблюдением, можно определить и угол ( = З1СМ. Следовательно, треугольник СЗ1М может быть теперь построен по стороне СМ и двум углам ( и
( для каждого положения З1 и при этом определится это самое положение З1 относительно заданного базиса СМ. Таким образом можно получить необходимое число точек, принадлежащих орбите Земли.
Но где же взять ориентир М? Изобретательный ум великого астронома использовал ориентир, хоть и не строго неподвижный, но периодически, через известные заранее интервалы времени, занимающий одно и то же положение в пространстве. Дело в том, что уже и тогда была довольно точно известна продолжительность марсианского года, т. е. период обращения Марса вокруг
Солнца, — 687 дней. Используя эту величину в качестве исходной, теперь достаточно было учесть, что любое зафиксированное положение Марса (и длина отрезка МС) через целое число марсианских лет будет повторяться, в то время как положение Земли на ее орбите каждый раз будет, вообще говоря, иным.
Таким образом можно установить такое количество точек орбиты Земли.
Естественно, что, не располагай Кеплер данными многолетних наблюдений Браге за Марсом, быстрое решение этой задачи оказалось бы невозможным.

Результаты произведенных Кеплером вычислений совпали с его предположениями: Земля, как и другие планеты, вопреки мнению Коперника и его предшественников, не движется равномерно, а быстрее, когда она ближе к
Солнцу, и медленнее, когда дальше от него. Так впервые в истории астрономии была показана ошибочность аристотелевского представления о равномерных движениях планет. Дальше, занимаясь вычислением расстояния Марс — Земля,
Кеплер нашел, что наибольшее расстояние, в афелии (в частях радиуса земной орбиты), составляет 1,6678, а наименьшее, в перигелии, 1,3850. Тогда радиус орбиты Марса будет равен:

а расстояние Солнца от центра орбиты Марса

т.е. половине ранее выведенного из движения Мара полного эксцентриситета его орбиты (равного 0,1856). Таким образом Кеплером было установлено, что полный эксцентриситет планет делится центром орбиты на две равные части между Солнцем и эквантом.

Кеплеровская концепция тяготения.

В течение многих веков в естествознании господствовала аристотелевская точка зрения на природу тяготения: «Земля и Вселенная имеют общий центр; тяжелое тело движется к центру Земли, и происходит это вследствие того, что центр Земли совпадает с центром Вселенной».
В «Новой астрономии» по мнению Кеплера, тяготение — это «взаимное телесное стремление сходных (родственных) тел к единству или соединению». В примечаниях к своему более позднему сочинению о лунной астрономии Кеплер пишет: «Гравитацию я определяю как силу, подобную магнетизму — взаимному притяжению. Сила притяжения тем больше, чем оба тела ближе одно к другому
... ». Этим самым Кеплер существенно продвигается в направлении, которое позже приводит Ньютона к открытию его знаменитого закона всемирного тяготения. Здесь же Кеплер добавляет: «Причины океанских приливов и отливов видим в том, что тела Солнца и Луны притягивают воды океана с помощью некоторых сил, подобных магнетизму». Пытаясь установить количественную зависимость между силой притяжения и расстоянием, Кеплер предположил, что сила притяжения прямо пропорциональна весу, но обратно пропорциональна расстоянию.

Внимание Кеплера было привлечено и к такому свойству материальных тел, как инерция. Сам термин «инерция» был введен в именно Кеплером. Он обозначил им явление сопротивления движению покоящихся тел. Инерция движения, по крайней мере до 1620 г., им не рассматривается. Важно отметить, что понятие инерции было распространено Кеплером (в его понимании) на внеземные тела и явления. В «Новой астрономии» он пишет:
«Планетные шары должны быть по природе материальны ..., они обладают склонностью к покою, или отсутствию движения».

Рис. 5 К выводу Кеплером закона площадей
Для объяснения эксцентричности орбит Кеплер предположил, что планеты представляют собой «огромные круглые магниты», магнитные оси которых сохраняют постоянное направление, подобно оси волчка. Следовательно, планеты будут периодически то притягиваться ближе к Солнцу, то отталкиваться от него, в соответствии с расположением их магнитных полюсов.
Далее Кеплер делит всю орбиту Земли на 360 частей, отметив на орбите положение Земли З1, З2, ..., З360 в соответствующие моменты времени t1, t2,
..., t360. Кеплер сопоставлял сумму расстояний между Землей и Солнцем в моменты времени ti и tk (и во все промежуточные моменты) с промежутком времени, необходимым планете, чтобы перейти из положения Зi, Зk. При сложении оказалось, что эта сумма отрезков не зависит от выбранного участка орбиты, а только от величины промежутка времени. Вспомнив затем, как
Архимед для нахождения площади круга разлагал его на большое число треугольников, Кеплер заменяет сумму расстояний площадью сектора, описанного радиусом-вектором точки орбиты, считая эти величины пропорциональными, хотя и не говоря об этом прямо (см. Рис. 5). Необходимо заметить, что при выводе закона площадей (в конце 1601 — начале 1602 г.)
Кеплер встретился и по-своему справился с задачей, имеющей прямое отношение к тому разделу математики, бурное развитие которого вскоре ознаменовало наступление нового этапа в истории математики, связанного с исчислением бесконечно малых. Его попытка бесконечного суммирования по существу была первым шагом в численном интегрировании. Второй закон определял изменение скорости движения планет по их орбите, однако сама форма орбиты оставалась еще неизвестной.

Теперь Кеплеру предстояло дать математическое описание той кривой, по которой движется планета, и эта задача оказалась самой сложной и трудоемкой. Пришлось проверять одну за другой многие гипотезы. При этом, правда, в распоряжении Кеплера уже было мощное средство исследования — его закон площадей. Это давало возможность, задавая гипотезу о кривой той или иной формы, вычислять положения, которые должен был бы занимать Марс на этой предполагаемой орбите в различные моменты времени, и сравнивать их с наблюдаемыми положениями. «Правда лежит между кругом и овалом, как будто орбита Марса есть точный эллипс». Но, поместив Солнце в его центр, Кеплер снова не пришел к согласующемуся с данными наблюдений результату.

В начале 1605 г. Кеплеру удалось найти истинную связь между расстоянием Солнце — Марс и так называемой эксцентрической аномалией. Он нашел тогда уравнение, которое сейчас называется его именем и широко используется в теоретической астрономии. Это уравнение имеет вид:

— константы. Это уравнение является одним из первых трансцендентных уравнений, которые нашли практическое приложение. Наконец Кеплер заметил, что боковое сжатие орбиты составляет 0,00429 доли радиуса, что точно равно половине квадрата определенного им ранее эксцентриситета (0,09262
=0,00857). И тогда Кеплер предположил, что орбита Марса — эллипс, но Солнце располагается не в его центре, а в одном из фокусов. Проверка гипотезы эллипса быстро привела его к успешному завершению работы, ознаменовавшемуся выводом первого закона: Марс движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Кеплер не сомневался, что по этому же закону движутся и остальные планеты, что вскоре им было проверено. Он был уверен также, что и орбита Земли — эллипс, но из-за малого эксцентриситета (e=
0,01673) и недостаточной точности наблюдений этот эллипс тогда еще невозможно было отличить от окружности. Открытые Кеплером законы подготовили почву Ньютону для открытия закона всемирного тяготения.

Законы Кеплера сохраняют свое значение и в наше время. Правда, будучи абсолютно строгими математическими законами для движения двух материальных тел (точнее — материальных точек), они не учитывают воздействия на каждую планету других планет, которые хотя и очень слабы, но все же приводят к небольшим отклонениям их движения от эллиптической орбиты. Но математики и астрономы научились учитывать эти воздействия (благодаря чему, между прочим, были открыты планеты Нептун и Плутон).

Третий закон движения планет Кеплер вывел значительно позже (в 1619 г.). Суть этого закона была изложена в труде под названием «Мировая гармония». Кеплер формулирует этот закон так: «... отношение между периодами обращения каких-нибудь дву