Человек, раскрывший тайны Солнечной системы

ОТ НАШЕГО КОРРЕСПОНДЕНТА В ГЕРМАНИИ

В XVI веке европейцы относились к кометам с благоговением. Поэтому, когда в ночном небе была видна комета, ставшая известной благодаря датскому астроному Тихо Браге, Катарина Кеплер подняла с постели своего шестилетнего сына Иоганна посмотреть на это чудо. Прошло более 20 лет, Браге умер, и кого же император Рудольф II назначил вместо него императорским математиком? Иоганна Кеплера! Получив эту должность в 29 лет, Кеплер оставался придворным математиком императора Священной Римской империи до конца жизни.

Математика — не единственная область, в которой Кеплер добился блестящих успехов. Он также прославился своими открытиями в оптике и астрономии. Он был человеком невысокого роста, но имел великолепный ум и твердый характер. Несмотря на сильное давление, ученый отказался перейти в католическую веру и за это терпел притеснения.

Талант к математике

Иоганн Кеплер родился в 1571 году в небольшом городке Вайль-дер-Штадт, расположенном вблизи Шварцвальда. Его семья была бедной, но благодаря влиятельному дворянину, который оплатил его учебу, он получил хорошее образование. Он изучал богословие в Тюбингенском университете, намереваясь стать служителем лютеранской церкви. Там выявился его талант к математике. Когда в 1594 году умер учитель математики в лютеранской гимназии в Граце (Австрия), Кеплера назначили на его место. Работая в Граце, он выпустил свое первое крупное сочинение, «Тайна Вселенной».

«Тайну Вселенной» прочитал астроном Тихо Браге, который многие годы вел кропотливые записи наблюдений за планетами. Его впечатлило, насколько глубоко Кеплер разбирался в математике и астрономии, и он пригласил молодого ученого к себе в Бенатки, близ Праги (сейчас территория Чехии). Кеплер принял приглашение Браге, когда из-за религиозной нетерпимости больше не мог оставаться в Граце. После смерти Браге, как уже говорилось выше, он занял его пост. Теперь вместо педантичного наблюдателя при императорском дворе трудился талантливый математик.

Вклад в оптику

Чтобы извлечь полную пользу из данных, полученных Браге при наблюдении за планетами, Кеплеру необходимо было больше узнать о явлении рефракции. Как отраженный от планеты свет преломляется, проходя через земную атмосферу? Свои мысли Кеплер изложил в труде «Дополнения к Вителло, разъясняющие оптическую часть астрономии», в котором продолжил работу средневекового ученого Вителло. Книга Кеплера стала важным вкладом в оптику. Он первым сумел объяснить работу глаза.

Но гений Кеплера был устремлен не на оптику, а на астрономию. В древности астрономы представляли небеса в виде полой сферы, на внутренней поверхности которой прикреплены, подобно блестящим алмазам, звезды. Птолемей считал Землю центром Вселенной, тогда как Коперник полагал, что все планеты вращаются вокруг неподвижного Солнца. Браге предположил, что планеты движутся вокруг Солнца, которое в свою очередь вращается вокруг Земли. Поскольку по отношению к Земле все планеты рассматривались как небесные тела, они считались совершенными. Единственной подходящей для них формой движения было движение по идеальной окружности с постоянной скоростью. Таковы были общепринятые взгляды, когда Кеплер приступил к своим обязанностям придворного математика.

Начало астрономии нового времени

Вооружившись таблицами, составленными Браге, Кеплер стал изучать движение небесных тел и делать выводы на основании собственных наблюдений. Его математический гений дополнялся силой воли и неутомимой любознательностью. О его потрясающей работоспособности говорит тот факт, что, изучая данные о движении Марса, он провел 7 200 сложных вычислений.

Именно Марс первым привлек внимание ученого. Скрупулезный анализ результатов наблюдений показал, что Марс вращался вокруг Солнца не по окружности. Единственной формой орбиты, согласующейся с данными, был эллипс, в одном из фокусов которого находилось Солнце. Однако Кеплер понимал, что ключом к разгадке небесных тайн будет не Марс, а Земля. Как выразился профессор Макс Каспар, «изобретательность Кеплера подсказала ему гениальную идею». Он использовал таблицы с результатами наблюдений новаторским способом. Вместо того чтобы изучать по ним движение Марса, Кеплер мысленно перенесся на Марс и оттуда стал «наблюдать» за движением Земли. Он подсчитал, что скорость движения нашей планеты изменяется обратно пропорционально ее расстоянию от Солнца.

Кеплеру стало ясно, что Солнце не просто центр Солнечной системы. Оно действует подобно магниту, который вращается вокруг своей оси и влияет на движение планет. Каспар пишет: «С того времени эта новая гениальная идея задавала направление его научным поискам и привела ученого к открытию законов, носящих его имя». Планеты в представлении Кеплера были физическими телами, подчиняющимися единому гармоничному своду законов. То, что он узнал о Марсе и Земле, с его точки зрения, должно было быть применимо и к остальным планетам. Так он пришел к выводу, что любая планета движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с переменной скоростью, которая зависит от удаленности планеты от светила.

Законы движения планет, открытые Кеплером

В 1609 году Кеплер опубликовал «Новую астрономию», которая считается первой книгой по астрономии нового времени и одним из важнейших трудов, когда-либо написанных по этой теме. В этом шедевре он сформулировал свои первые два закона движения планет. Третий закон он описал в труде «Гармония мира», изданном в Линце (Австрия) в 1619 году. Эти три закона определяют общие характеристики движения планет: форму орбиты, скорость движения и зависимость между расстоянием планеты от Солнца и временем полного оборота вокруг него.

Как встретили астрономы открытия Кеплера? В целом, они не оценили важности его законов. Иные даже с ужасом их отвергли. Но, пожалуй, вину нельзя возлагать лишь на них. Кеплер облек свои труды в латынь, которая была почти столь же непроницаема, как облака вокруг Венеры. Однако время было на его стороне. Через 70 лет, взяв за основу работы ученого, Исаак Ньютон открыл законы движения и гравитации. Сегодня Кеплер считается одним из величайших ученых. Благодаря ему астрономия перешла от средневековья к новому времени.

Европу охватывает религиозная война

В том самом месяце, когда Кеплер сформулировал свой третий закон, разразилась Тридцатилетняя война. За время этой войны (1618—1648) Европа сильно пострадала от убийств и грабежа на религиозной почве, Германия потеряла треть населения. Повсюду шла охота на ведьм. Мать Кеплера обвинили в колдовстве, и она чудом избежала казни. Если до войны Кеплер получал при дворе жалованье нерегулярно, то во время войны ему вообще, по всей видимости, не платили.

Всю свою жизнь лютеранин Кеплер страдал от религиозных преследований и предубеждений. Отказавшись принять католическую веру, он был вынужден покинуть Грац, а это означало лишения и невзгоды. В Бенатках его опять пытались заставить перейти в католицизм. Но Кеплер не мог согласиться с почитанием образов и святых; эти обычаи он считал исходящими от Дьявола. В Линце у него возникли разногласия с соверующими, которые полагали, что Бог вездесущ, из-за чего его перестали допускать к причащению. (Смотрите страницы 20—21 этого журнала.) Кеплер питал отвращение к религиозной нетерпимости, поскольку верил, что гармония, очевидная среди планет, должна царить и среди людей. Он твердо держался своих убеждений и был готов страдать за них. «Страдать вместе со многими братьями за веру и ради прославления Христа, перенося беды и позор, оставив свой дом, поля, друзей и родину... Никогда бы не подумал, что все это может быть таким приятным»,— писал Кеплер («Иоганн Кеплер», Эрнст Зиннер).

В 1627 году Кеплер опубликовал «Рудольфовы таблицы» — труд, который считал своей крупнейшей работой по астрономии. В отличие от предыдущих сочинений, этот труд получил широкое признание и вскоре стал настольной книгой астрономов и мореплавателей. Ученый умер в ноябре 1630 года в Регенсбурге (Германия). Один астроном писал о Кеплере: «Я не перестаю восхищаться такой основательной ученостью и глубиной познаний самых сокровенных тайн». Иоганна Кеплера и по сей день помнят как человека, раскрывшего тайны Солнечной системы.

[Вставка, страница 26]

Кеплер считается одним из величайших ученых. Благодаря ему астрономия перешла от средневековья к новому времени

[Вставка, страница 27]

Кеплер питал отвращение к религиозной нетерпимости, поскольку верил, что гармония, очевидная среди планет, должна царить и среди людей

[Рамка, страница 27]

Астрологические и теологические взгляды Кеплера

Хотя Иоганн Кеплер прославился своими выдающимися открытиями в области астрономии, надо признать, что он находился под влиянием распространенных в его время религиозных воззрений. Ему принадлежит множество трудов по астрологии, хотя он и отрицал «многое из того, что якобы было известно о влиянии звезд».

Также он свято верил в догмат о Троице. «Эта священная тайна нашла отражение в одной из идей, к которой он был сильно привязан. Идея заключалась в том, что образ христианской Троицы соответствует геометрической форме шара и, как следствие, устройству видимого, созданного мира (Бог Отец — центр; Христос Сын — поверхность шара, сфера; Святой Дух — внутренняя область)» («Британская энциклопедия»).

Интересно, что сэр Исаак Ньютон отрицал учение о Троице. Главной причиной этого было то, что, проверяя положения «Символа веры» и церковных соборов, он не нашел никаких подтверждений этой догмы в Священном Писании. Стоит отметить, что он твердо верил в верховную власть Бога Иеговы и в то, что Иисус Христос, как это следует из Библии, стоит ниже своего Отцаa (1 Коринфянам 15:28).

[Сноска]

[Схема/Иллюстрации, страницы 24—26]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Законы движения планет, открытые Кеплером

Законы Кеплера, описывающие движение планет, считаются началом астрономии нового времени. Их можно сформулировать следующим образом:

1 Орбита любой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце

← Солнце ←

↓ ↑

↓ ↑

Планета ● ↑

→ → →

2 Вблизи Солнца планета движется быстрее. На каком бы расстоянии от Солнца ни находилась планета, линия, соединяющая ее центр с центром Солнца, за равные промежутки времени проходит через равные площади

Планета движется быстрее

Планета движется медленнее

А ● Б

↓ ↑

↓ Солнце

А

↓

↓

● Б

А

→

→

● Б

Если время, за которое планета проходит от точки А до точки Б, в каждом случае одинаково, то затененные площади тоже одинаковы

3 Время, за которое планета совершает полный оборот вокруг Солнца, называется ее периодом. Отношение квадратов периодов любых двух планет равно отношению кубов их средних расстояний от Солнца

[Таблица]

Планета Меркурий

Расстояние от Солнцаb 0,387

Период (в годах) 0,241

Период² 0,058c

Расстояние³ 0,058d

Планета Венера

Расстояние от Солнца 0,723

Период (в годах) 0,615

Период² 0,378

Расстояние³ 0,378

Планета Земля

Расстояние от Солнца 1

Период (в годах) 1

Период² 1

Расстояние³ 1

Планета Марс

Расстояние от Солнца 1,524

Период (в годах) 1,881

Период² 3,538

Расстояние³ 3,540

Планета Юпитер

Расстояние от Солнца 5,203

Период (в годах) 11,862

Период² 140,707

Расстояние³ 140,851

Планета Сатурн

Расстояние от Солнца 9,539

Период (в годах) 29,458

Период² 867,774

Расстояние³ 867,977

[Сноски]

[Иллюстрация, страница 24]

Юпитер

[Иллюстрация, страница 24]

Коперник

[Иллюстрация, страница 24]

Браге

[Иллюстрация, страницы 24, 25]

Кеплер

[Иллюстрация, страница 25]

Ньютон

[Иллюстрация, страница 25]

Венера

[Иллюстрация, страница 26]

Нептун

[Иллюстрация, страница 26]

Телескоп и книги Кеплера

[Иллюстрация, страница 27]

Сатурн

[Сведения об источнике]

Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS

[Сведения об иллюстрациях, страница 24]

Copernicus and Brahe: Brown Brothers; Kepler: Erich Lessing/Art Resource, NY; Jupiter: Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS; Planet: JPL

[Сведения об иллюстрациях, страница 25]

Venus: Courtesy of NASA/JPL/Caltech; Planet: JPL

[Сведения об иллюстрациях, страница 26]

Telescope: Erich Lessing/Art Resource, NY; Neptune: JPL; Mars: NASA/JPL; Earth: NASA photo