Кеплер: три закона планетных движений

Ньютонианская революция

Формирование предпосылок классической механики

Кеплер: три закона планетных движений

После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями.

Кардинальные изменения наметились только в последней четверти XVI в., когда в 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадранта радиусом 2 м, точность которого доходила до 1/6', секстанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине Неба — Урании. Первое выдающееся открытие Браге сделал еще в 1572 г., когда, наблюдая за вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопеи, показал, что это вовсе не атмосферное явление (как это следовало из аристотелевой картины мира), а удивительное изменение в сфере звезд (это была вспышка сверхновой). Более двух десятков лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Удивляет точность его данных, полученных в то время, когда еще не знали телескопов и других оптических инструментов. Так, сравнение с современными данными показало, что средние ошибки при определении положений звезд у него не превышали 1’, а для 21 опорной звезды - даже 40".

Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это мешало ему в полной мере оценить учение Коперника. К счастью, на своем жизненном пути Браге встретил Иоганна К е п л е р а. На смертном одре он завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений, с тем чтобы Кеплер доказал справедливость его, Браге, гипотезы о строении планетной системы. Это завещание не было и не могло быть исполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие - он раскрыл главную тайну планетных орбит. Этот великий немецкий ученый (с удивительной судьбой, жизнь которого была полна невзгод и лишений) совершил научный подвиг - заложил фундамент новой теоретической астрономии.

После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер в 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и их спутники).

Первый закон утверждал эллиптическую форму орбит и тем разрушал принцип круговых движений в Космосе. Второй закон показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно: скорость движения планеты замедляется с удалением ее от солнца. Так рухнул и принцип равномерности небесных движений. Кеплер ввел пять параметров, определяющих гелиоцентрическую орбиту планеты (Кеплеровы элементы) и нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой заданный момент времени (уравнение Кеплера). Таким образом, открытые им законы стали рабочим инструментом для наблюдателей.

Далее Кеплер поставил вопрос о динамике движения планет. Он увидел в гелиоцентрической картине движений планет действие единой физической силы и поставил вопрос о ее природе. Через десять лет после опубликования первых двух законов Кеплер установил (1619) универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их от Солнца — третий закон Кеплера: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца. Иначе говоря, чем дальше планета расположена от солнца, тем медленнее она движется по орбите. Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце.

Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с действием магнита. Он развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде от вращения магнитного Солнца.

Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовались уточнение основных физических понятий и создание основ механики. Это было делом будущего. Таким образом, в исследованиях механики неба Кеплер до предела исчерпал возможности современной ему физики. Правильное объяснение того, почему планеты обращаются вокруг Солнца, появилось много позже, когда Исаак Ньютон сформулировал законы, ставшие основой классической механики. Это стало возможным после экспериментов Галилея.

Дата добавления: 2014-01-07