Эдуардо Лопец - Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.

• Название: Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.
• Автор: Эдуардо Лопец
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Иоганн Кеплер был глубоко религиозным человеком. Благодаря своему научному подходу он создал образ мира, отражающего всю полноту Божественной гармонии. Сформулированные им три закона движения планет дали изящное математическое объяснение наблюдениям Тихо Браге, подтвердили выводы Коперника и проложили путь открытиям Ньютона. Как и многие другие первопроходцы в науке, Кеплер занимался дисциплинами, которые сейчас мы называем эзотерическими, в частности, астрологией. Со временем он стал знаменитым астрологом: к его услугам прибегали принцы и короли. Но ни высочайшее покровительство, ни набожность ученого не спасли его от ужасных последствий религиозных войн, пылавших в то время в Европе.

---

Меркурий и Венера, две из четырех внутренних планет, имеют фазы, как показывает рисунок внизу, на котором можно наблюдать относительные положения Венеры и Марса. Для названия положений планет используется старая, но все еще действующая терминология. Речь идет о «соединении», когда планета и Солнце находятся приблизительно на одной линии. В случае если речь идет о «нижнем соединении», происходит парад планет за солнечным диском. Галилей отметил, что фазы Венеры и фазы Меркурия случаются в положениях максимальной «элонгации на восток» (вечерняя звезда) и максимальной «элонгации на запад» (утренняя звезда). Элонгацией называется угол «планета – Земля – Солнце», видимый с Земли. Рисунок показывает, что Венера не может находиться в квадратуре (элонгация на 90°) и что лучшее время для наблюдения за Марсом – когда он находится в оппозиции.

Относительные положения Венеры и Марса.

ОПТИКА КЕПЛЕРА

Кеплер проводил важные исследования в области оптики, итоги которых были подведены в двух фундаментальных произведениях. Одно из них, опубликованное в 1604 году, называлось Astronomiae pars optica: «Оптика в астрономии», или просто «Оптика». Полное название работы – Ad vitellionem paralipomena, quipus astronomiae pars optica traditur («Дополнения к Витело, рассказывающие об оптической стороне астрономии»). Эта книга коренным образом повлияла на развитие современной оптики. Витело (ок. 1230 – ок. 1280) написал трактат об оптике, основанный на работе Ибн ал-Хайсама (965-1040), ученого, очень известного в Европе. Другая работа Кеплера – «Диоптрика» (Dioptrice), была опубликована в 1610 году, когда Кеплер занимал пост придворного математика в Праге.

На занятия оптикой Кеплера натолкнуло явление атмосферного преломления. Атмосфера преломляет свет, и этот эффект становится более заметным, когда звезда или планета находятся вблизи горизонта. Так как свет следует по криволинейной траектории, можно наблюдать уже зашедшую звезду, которая в действительности находится ниже линии горизонта. Этот эффект не имеет большого практического значения, но его необходимо учитывать, если требуется точность наблюдений.

Например, при заходе Солнца из-за преломления мы видим не его реальное положение, а угловое смещение на расстояние, равное диаметру светила. Таким образом, из-за преломления звезду, находящуюся рядом с горизонтом, мы видим с погрешностью примерно 30'. Это заметил еще Тихо Браге и разработал корректирующие таблицы. Он думал, что такие таблицы должны отличаться для Солнца, Луны и других небесных тел. В частности, из-за преломления очень сильно деформируется орбита Меркурия, поскольку эту планету можно наблюдать только вблизи линии горизонта.

Признавая важность преломления, Кеплер заинтересовался оптикой и вскоре написал книгу о геометрической оптике, которая с небольшими изменениями может использоваться даже в наши дни. Так, изображения в современных изданиях о траектории лучей сегодня являются репродукциями кеплеровских рисунков.

ПРОБЛЕМА СКОРОСТИ СВЕТА

Еще более серьезные погрешности в определение положения планет может вносить деформация орбит. Солнце, например, находится от нас в восьми световых минутах, поэтому на самом деле мы видим его там, где оно находилось 8 минут назад, и это равно погрешности в 2°. Для Солнца это не столь важно, но для такой планеты, как Марс, считал Кеплер, погрешность может достигать от 4 до 20 а. е., а это довольно много (в то время еще не знали, что свет имеет конечную скорость).

Кеплер заинтересовался эффектом проекции изображений через камеру с перфорированной стороной и искривлениями, продуцируемыми разными типами линз, плоскими и искривленными зеркалами (двояковыпуклыми или двояковогнутыми). Им были введены концепции реального изображения, виртуального, прямого и перевернутого, увеличения, фокальной плоскости и так далее.

Также ученый занимался очками для близоруких и дальнозорких людей и установил механизм инстинктивного параллакса, который использует наш мозг для определения относительно малых расстояний.

Кеплер не был знаком с законом Снеллиуса – Декарта о преломлении, но использовал коэффициент пропорциональности между второстепенным и преломленным углами, полученный экспериментально. Одна из главных заслуг исследователя состоит в том, что он изучал работу человеческого глаза, основываясь на перевернутом изображении, которое формируется в сетчатке.

Обе книги Кеплера уникальны, они в основном посвящены астрономии. Однако они не лишены метанаучных рассуждений, которые постоянно кипели в голове их автора. Ученый хотел сформулировать свойства света, пытаясь понять замысел Бога, который создал свет для того, чтобы люди пользовались им и наслаждались всеми его цветами. При этом основываясь на соображениях, малоприемлемых сегодня и практически неприемлемых для его современников, Кеплер пришел к правильному выводу, что свет рассеивается пропорционально обратному квадрату расстояния.

РУДОЛЬФОВЫ ТАБЛИЦЫ

В 1601 году перед Кеплером была поставлена задача разработать Рудольфовы таблицы (Tabulae rudolphinae), которые были опубликованы в 1627 году. Работе над этой книгой сам Кеплер придавал огромную важность, кроме того, составление таблиц было личным поручением императора Рудольфа II. Работе над изданием ученый посвятил 26 лет.

ИЗОБРЕТАТЕЛЬ ТЕЛЕСКОПА

В истории изобретения телескопа часто не отмечается, что именно Кеплеру принадлежат теоретические основы создания этого инструмента. Неизвестно, кто первым воплотил его методику, но пальма первенства в применении телескопа как инструмента для астрономических наблюдений принадлежит Галилею. Этот ученый и сам предпринял множество попыток построить телескоп, однако он не был знаком с принципом работы инструмента. Комбинация фокусирующей линзы как объектива и рассеивающей у глаз была реализована Кеплером, и он имеет полное право войти в историю если не как изобретатель телескопа, то как один из тех, кто сделал свой вклад в создание этого инструмента. Принцип работы устройства был изложен в книге Dioptrice. Обидно, что Галилей так и не признал за Кеплером этого изобретения.

Один из телескопов, построенных Галилеем.

В чем состояла идея этих таблиц? Они представляли собой журнал, в котором указывались положения планет на длительный период времени, якобы на тысячи лет, а также многие другие данные – положение многочисленных звезд, лунные и солнечные затмения, восходы и заходы Солнца и Луны, координаты многих городов и так далее. Очевидно, что больше всего труда потребовали таблицы, позволяющие рассчитать положения планет.

Разработка подобных таблиц была важной задачей для великих астрономов и великих монархов. В свое время приобрели известность Толедские таблицы, разработанные астрономом Аз-Заркали (их использовал Коперник), Альфонсовы таблицы кастильского короля Альфонса X Мудрого (1221-1284), которые применялись вплоть до Возрождения и которые использовал Колумб для предсказания затмения, таблицы Региомонтана (1436-1476), которые применялись до публикации Рудольфовых.

Эти данные имели огромную ценность для астрономов, астрологов, моряков. Ни одни из таблиц не были совершенными, но лучших инструментов на тот момент не существовало. А Рудольфовых таблиц все ждали с нетерпением, так как они опирались на максимально точные данные Тихо Браге и систему Коперника, улучшенную Иоганном Кеплером, и предоставляли недостижимую прежде точность прогнозирования (хотя, конечно, и они были несовершенны).

Созданию таблиц Кеплер посвятил практически всю профессиональную жизнь, а их публикация состоялась незадолго до смерти ученого. Работа затянулась по многим причинам. Большую сложность представляли утомительные арифметические расчеты, которые Кеплеру приходилось делать самостоятельно, без чьей бы то ни было помощи. Также для издания необходимо было найти хорошую типографию и деньги: публикация оплачивалась заранее, а Кеплер никогда не был богат. Кроме того, параллельно ученый занимался и собственными исследованиями, связанными с его теорией движения планет. Неизвестно, осознавал ли Кеплер, что даже самые точные таблицы рано или поздно устареют, а открытые им законы планетарного движения станут вечным достоянием человечества.

В любом случае Кеплер должен был выполнить эту миссию, которая была не только поручением императора Рудольфа II, но предсмертной просьбой самого Тихо Браге. Для завершения работы над таблицами Рудольф II передал Кеплеру все инструменты и данные Тихо Браге, однако ученого ждали проблемы с наследниками покойного. Собственно, после смерти Браге эти данные были их собственностью, и император обязался выкупить их. Но в это время у Рудольфа не было денег – ни для того, чтобы выкупить данные, ни для того, чтобы платить Кеплеру предложенное жалованье, ни вообще для управления империей. Рудольф был человеком увлекающимся: алхимия и химия, астрология и астрономия, коллекции художественных произведений и инженерных новинок, драгоценности – все это требовало больших расходов…