В своей астрономической деятельности Кеплер поставил задачу найти гармонию в планетном мире, найти законы, связывающие этот мир в одно стройное целое. Его не устраивали нагромождения эпициклов Птолемея, от которых не сумел освободиться и Коперник, лишь уменьшивший в своей системе количество птолемеевых кругов с 79 до 34 [25]. Коперник, как уже отмечалось выше, твердо придерживался ложного мнения Аристотеля о том, что в сфере “божественных небесных явлений” существует лишь наиболее ”совершенная форма движения - равномерное движение по кругу”, и в соответствии с этим полагал, что планеты движутся вокруг Солнца равномерно, с постоянными угловыми скоростями и по строго круговым, гелиоцентрическим орбитам. Кеплер, используя высокоточные данные наблюдений Тихо Браге за движением Марса, построил, после длительных и труднейших расчетов, фигуру его орбиты и убедился, насколько она отличается от круга. Тем самым он освободился от предрассудка равномерного кругообразного движения, якобы “единственно допустимого” в небесах. В 1609 г. астроном опубликовал в своем сочинении “Новая астрономия” (полное название “Новая астрономия, или Физика небес, изложенная причинно в комментариях к движению планеты Марс”) первые два из открытых им законов движения планет (первый - орбита Марса не окружность, а эллипс; второй - вблизи Солнца планеты движутся быстрее), а через десять лет, в 1619 г. в книге “Гармония мира” - свой третий закон, объединяющий теорию движения всех планет в единое целое (в остальном эта большая книга содержит фантастические, идущие от Пифагора, идеи о музыке небесных движений). Этими законами ученый окончательно разрушил прежнюю “сферическую” астрономию.
В 1618-1622 гг. Кеплер опубликовал свой астрономический учебник ”Сокращение коперниковой астрономии” в трех частях, написанный в форме вопросов и ответов, в котором изложил теорию и способы предсказания солнечных и лунных затмений. Эта работа содержит прямое указание на то, что первые два закона, установленные для Марса, относятся ко всем планетам и движению Луны вокруг Земли, а третий закон прилагается также к движениям четырех спутников Юпитера, открытых Галилеем в январе 1609 г. Здесь же впервые он сравнивает Землю с вращающимся волчком, выступает против вековых предрассудков и превратных толкований Священного писания, порочащих гелиоцентрическую систему, пытается объяснить движение планет не божественной силой, а естественной силой, исходящей от Солнца (гениальная догадка о законе всемирного тяготения; притяжением другого небесного тела - Луны - он объяснял и морские приливы на Земле, но все же, подобно древнегреческому натурфилософу Фалесу, который мистически признавал в магните душу, двигающую железные предметы, Кеплер считал, что ”все небесные тела, вращающиеся около своей оси, обладают душой, которая и есть причина этого движения”), формулирует принцип инерции (признает “естественное” движение прямолинейным и равномерным). Это сочинение Кеплера немедленно было внесено церковью в “Индекс запрещенных книг”.
В 1627 г. Кеплер публикует таблицы движения Солнца и планет - Рудольфовы таблицы (названы в честь императора Рудольфа II, покровителя астрономических исследований Браге и самого Кеплера; разработка таблиц началась еще в 1601 г. совместно с Браге) - первые таблицы, построенные по системе Коперника и законам Кеплера, позволявшие вычислять положения планет с высокой точностью для любого момента времени. Кеплер предсказал существование планеты между Марсом и Юпитером (почти через 200 лет здесь были обнаружены остатки такой планеты - пояс астероидов), а также быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси (действительно, позже было установлено, что Юпитер вращается почти в 2,5 раза быстрее Земли). Не остались без внимания Кеплера и кометы. Как и Браге, он относил их “по ту сторону Луны” и сравнивал их с шелковичными червями, выпускающими паутину, а образование хвостов комет объяснял давлением солнечных лучей (научное открытие такого давления состоялось только в 1900-1910 гг.). Пытаясь понять атмосферную рефракцию (преломление) света, он первым точно объяснил, как свет распространяется внутри глаза, как очки улучшают зрение и как действует телескоп (в 1611 г. в трактате “Диоптрика” он описал телескоп, в котором объектив и окуляр имеют двояковыпуклые линзы - “зрительную трубу Кеплера”). Он первым указал в 1604 г. на солнечную корону - сияние, появляющееся вокруг Солнца во время полных солнечных затмений, а также установил закон убывания света обратно пропорционально квадрату расстояния от источника (“Дополнение к Витело”, 1604 г.). Кеплеру принадлежат и другие важные научные результаты в астрономии, оптике и математике.
Вся жизнь Кеплера была посвящена развитию гелиоцентрической системы Коперника, и его три закона, заменившие равномерные круговые движения планет на неравномерные эллиптические, явились важнейшим аргументом в пользу этой системы. Работы Кеплера, а позже и Галилея, с такой очевидностью подтвердили учение Коперника, что со второй половины 17 в. большинство астрономов признали его истинность. Но все факты и законы новой астрономии находились в резком противоречии с геоцентризмом христианской церкви, а потому подвергались с ее стороны беспощадным нападкам. Церковь еще долго продолжала бороться с новыми взглядами на Вселенную (впрочем, как и с другими естественнонаучными взглядами, подрывавшими религиозную догматику), но эта борьба оказалась тщетной. Науку уже нельзя было остановить ни запретами, ни репрессиями, ни угрозами божьей кары и церковными проклятиями.
1.11 Три закона Кеплера
1) каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (эллипс, или плоская овальная кривая 2-го порядка - множество точек М, сумма расстояний которых от двух данных точек F1 и F2 - фокусов эллипса - постоянна и равна длине большой оси эллипса:
r1+r2=2a,
где r1,r2 - расстояния до точки М соответственно от первого и второго фокусов, а- большая полуось, см. рис.; в прямоугольной системе координат уравнение эллипса имеет вид:
x2/a2 + y2/b2=1, b2=a2-c2,
где b - малая полуось, с - модуль абсциссы фокусов F1 , F2; очевидно, что
АА=2а, ВВ=2b, F1F2=2с; при а=b
фокусы совпадают, с=0, и эллипс превращается в окружность; форма или ”вытянутость” эллипса определяется его эксцентриситетом e - отношением расстояния между фокусами к длине большой оси: e=2с/2а=с/а<1, для окружности e=0; на эллипсе, как орбите небесного тела обращающегося вокруг Солнца, ближайшая к Солнцу точка орбиты этого тела называется перигелием - от греч. peri вокруг, около, возле + helios солнце, а наиболее удаленная точка - афелием - от греч. apo вдали + helios; для Земли, например, расстояние от центра планеты до центра Солнца в перигелии приблизительно равно 147,1 млн. км, в афелии ~ 152,1 млн. км, а среднее (147,1+152,1)/2?149,6 млн. км = 1 а.е.; степень вытянутости орбит у разных планет Солнечной системы различна и для Земли, например, составляет e=(152,1-147,1)/(152,1+147,1) ?0,017, т.е очень мала - орбита Земли мало отличается от окружности; для Марса e= 0,093 при среднем расстоянии до Солнца 1,524 а.е.?228 млн.км, а самая вытянутая орбита у Меркурия - e= 0,206 при среднем расстоянии планеты до звезды 0,387 а.е.?57,9 млн. км);
2) каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь секторов орбиты, описанная радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени, т.е.
S1/S2=T1/T2,
где S1,S2 - площади двух различных секторов, а T1,T2 - времена прохождения планетой орбиты по соответствующим секторам (см. рис.). При
T1=T2 будет и S1=S2,
а так как при равных площадях секторов в эллипсе путь, пройденный планетой в секторе с большим радиусом - планета дальше от Солнца - будет меньше, то, следовательно, по мере приближения планеты к Солнцу, когда радиус-вектор уменьшается, она будет проходить в одно и то же время по своей орбите больший путь, т.е. скорость движения планеты по орбите не остается постоянной, как при равномерном движении, а увеличивается - планета движется с положительным ускорением. Соответственно, при удалении планеты от Солнца ее орбитальная скорость уменьшается - планета движется с отрицательным ускорением, или замедляет свой ход. Например, для Марса орбитальная скорость в перигелии равна 26,5 км/с, а в афелии - 22 км/с при средней скорости 24,1 км/с, а для Земли средняя скорость равна 29,8 км/с и изменяется незначительно из-за малого эксцентриситета ее орбиты. У некоторых комет, обращающихся вокруг Солнца орбита настолько вытянута, что вблизи перигелия их скорость доходит до 500 км/с, а в афелии падает до 1 см/с;
3) квадраты времен обращения планеты вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца, т.е.
(Tобр1/Tобр2)2= (rср1/rср2)3,
где Tобр1,Tобр2 - времена обращения первой и второй выбранных планет, rср1,rср2 - средние расстояния этих двух планет от Солнца. Если в качестве одной из сравниваемых планет выбрать Землю с известными rср1=1 а.е. и
Tобр1=365,25 суток=1 год, то измерив Tобр2 второй планеты, можно по формуле
rср2 = (Tобр22)1/3
определить ее среднее расстояние от Солнца. Например, для Марса Tобр2=1,88 земных года и по формуле получим rср2=1,52 а.е.
Позже эти законы получили свое физическое объяснение в механике Ньютона, который доказал, что все они являются следствием закона всемирного тяготения. Он их уточнил и, в частности показал, что движение небесных тел может происходить (в зависимости от их масс, расстояний и скоростей) не только по эллипсу, но и по гиперболе и параболе.
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Заключение
гелиоцентрический кеплер вселенная история
Становление, распространение и утверждение гелиоцентрической идеи тесно связано не только с деятельностью и идеями выше рассмотренных ученых, но и других выдающихся мыслителей, астрономов, математиков и физиков, к числу которых принадлежат: итальянский философ и космолог Джордано Бруно (1548-1600; пропагандировал, защищал и развивал космологию Коперника, высказал идеи о вращении Солнца и его движении в пространстве, отстаивал концепцию бесконечной Вселенной и бесчисленного множества миров, распространил систему Коперника на другие звездные миры, утверждал об обитаемости звездных миров), итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564-1642; защищал и развивал гелиоцентрическую систему, построил первый телескоп, открыл горы на Луне, четыре спутника Юпитера, фазы Венеры и пятна на Солнце, выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости), английский математик, физик и астроном Исаак Ньютон (1643-1727; открыл закон всемирного тяготения, с помощью которого объяснил движения небесных тел, сформулировал основные законы классической механики, открыл дисперсию света, исследовал интерференцию и дифракцию, развивал корпускулярную теорию света, разработал дифференциальное и интегральное исчисления), английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656-1742; составил первый каталог звезд южного неба, открыл собственное движение звезд, вычислил орбиты свыше 20 комет, доказал наличие периодических комет и предсказал появление в 1758 г. периодической кометы, названной “кометой Галлея”, исследовал земной магнетизм), английский астроном Уильям Гершель (1738-1822; построил первую модель Галактики, установил движение Солнца среди звезд, открыл в 1781 г. планету Уран и его 2 спутника, а также 2 спутника Сатурна), немецкий астроном Иоганн Галле (1812-1910; обнаружил в 1846 г. планету Нептун по координатам, вычисленным французским астрономом У. Леверье, открыл 3 кометы) и другие ученые.
Идея гелиоцентризма, в отличие от идеи геоцентризма, не стала для философии и астрономии новой “вечной” догмой, а явилась лишь моментом, отразившим переход к долгожданному началу бурного научного постижения мира, в котором мы живем. Современная наука, освободившаяся, наконец-то, от пут религии и власти церкви (хотя они и сегодня предпринимают все усилия, чтобы обуздать научный поиск и проникновение разума в тайны природы), уверенными шагами устремилась в глубь познания Вселенной, все более убеждаясь в ее бесконечности, непрерывной эволюции, относительности и изменчивости всякого движения в ней. Представления о незыблемости, неизменности и постоянстве мира, вопреки библейской проповеди “что было, то и будет; и что делалось, то и будет делаться, и нет ничего нового под солнцем” (Еккл.1), и как бы ни хотелось жрецам религии законсервировать эти представления на веки вечные, остались в прошлом. В сознании человека рассеялись небесные сферы, разделявшие Вселенную на изолированные друг от друга части, в том числе на изменчивый “подлунный” и неизменный “надлунный” мир, пропала внешняя сфера постоянных звезд, ограничивавшая Вселенную, исчезли неподвижные центры и равномерные движения небесных тел вокруг них по идеальным круговым орбитам.
Человеческий разум, просыпающийся после долгого религиозного забытия (но до сих пор еще в массах окончательно не проснувшийся), обнаружил во Вселенной бесконечное движение и превращение различных форм материи (вещества и поля), открыл всеобщую материальную связь мировых процессов (в том числе земных и космических) и начал выявлять их естественные фундаментальные закономерности. В новой Вселенной, расширенной почти на полтора десятка миллиардов световых лет, содержащей многие миллиарды галактик с триллионами звезд, пронизанной сильными электромагнитными и гравитационными полями, жесткими космическими лучами, не осталось места для жалкого человеческого бога. Человек очутился один на один с великой Вселенной и множеством других звездных миров, открытых в ней. Он уже не может, как раньше, спрятаться за спину своего выдуманного небесного идола, а вынужден распахнуть свой разум навстречу открытому Космосу, понять и принять новый, космический смысл своего существования. Пытаясь сохранить себя в этом новом, открытом, глобальном мире, человек вынужден к нему адаптироваться и изменять многие традиционные принципы и ценности своей жизни.
Новая астрономия, перевернувшая тысячелетние представления людей и выявившая истинную структуру нашего космического дома, перешла вскоре от изучения движения Луны и планет к исследованию малых тел Солнечной системы (астероидов, комет, спутников больших планет) и других звездных миров - звезд с их планетными системами, звездных скоплений, звездных туманностей, рождающих новые звезды, галактик и их скоплений, определяющих общую структуру наблюдаемой нами части Вселенной. Гелиоцентрическая идея в новой, открытой Вселенной оказалась трансформированной в идею полицентризма, содержащую представления о бесконечном множестве во Вселенной местных подвижных центров, вокруг которых движутся по сложным криволинейным траекториям (простейшие из них - эллипс, парабола, гипербола), непрерывно изменяющим свои параметры под действием гравитационного окружения, различные небесные тела и их скопления. В свою очередь идея полицентризма стала частью другой, более общей идеи - идеи нестационарной Вселенной, изменяющей во времени и пространстве свою общую структуру (а вместе с нею и все свои локальные структуры). Такая Вселенная способна расширяться, сжиматься, проходить последовательные циклы сжатия-расширения, вступать во взаимодействие с теми частями Вселенной или, возможно, даже другими Вселенными, которые пока недоступны нашему наблюдению. Но это уже совсем другие истории.