Иоганн Кеплер родился 27 декабря 1571 г. в германской земле Штуттгарт в семье Гайнриха Кеплера и Катарины Гульденманн. Считалось, что Келперы были богачами, однако, к моменту рождения мальчика, богатства в семье значительно поубавилось. Гайнрих Кеплер зарабатывал на жизнь торговлей. Когда Иоганну было 5 лет, отец уходит из семьи. Мать мальчика, Катарина Гульденманн, была травницей и целительницей, а позже, чтобы прокормить себя и ребёнка, даже предпринимала попытки занятия колдовством. По слухам, Кеплер был мальчиком болезненным, хилый телом и слабый умом.
Однако же с ранних лет он проявлял интерес к математике, нередко поражая окружающих своими способностями к этой науке. Ещё в детстве Кеплер знакомится с астрономией, и любовь к этой науке он пронесёт через всю свою жизнь. Изредка он, вместе со своей семьёй, наблюдает затмения и появление комет, однако плохое зрение и поражённые оспой руки не позволяют ему серьёзно заниматься астрономическими наблюдениями.
Образование
В 1589 г., окончив среднюю и латинскую школы, Кеплер поступает в Тюбингенскую духовную семинарию при Тюбингенском университете. Именно здесь он впервые проявит себя как грамотный математик и искусный астролог. В семинарии он изучает также философию и теологию под руководством выдающихся личностей своего времени – Витуса Мюллера и Якова Хеербранда. В Тюбингенском университете Кеплер знакомится с планетарными системами Коперника и Птолемея. Склоняясь к системе Коперника, Кеплер принимает Солнце за основной источник движущей силы во Вселенной. Оканчивая университет, он мечтает заполучить государственную должность, однако, после предложения занять пост профессора математики и астрономии в Протестантской школе Граца, тут же отказывается от своих политических амбиций. Пост профессора Кеплер занял в 1594 г., когда ему было всего 23 года.
Научная деятельность
Во время преподавания в Протестантской школе, Кеплеру, по его собственным словам, «явилось видение» космического плана строения Вселенной. В защиту своих коперниканских взглядов, Кеплер представляет периодическую связь планет, Сатурна и Юпитера, в зодиаке. Он также направляет свои усилия на определение зависимости между расстояниями планет от Солнца и размерами правильных многогранников, утверждая, что ему открылась геометрия Вселенной.
Большинство теорий Кеплера, основывавшихся на системе Коперника, вытекало из его убеждения во взаимосвязи научного и богословского взглядов на Вселенную. В результате такого подхода, в 1596 г. учёный пишет свою первую, и, пожалуй, самую спорную из своих работ по астрономии «Тайна Вселенной». Этим трудом он завоёвывает репутацию умелого астронома. В дальнейшем, в свою работу Кеплер внесёт лишь небольшие поправки, и примет её за основу ряда своих будущих трудов. Второе издание «Тайны» появится в 1621 г., с рядом поправок и дополнений от автора.
Публикация повышает амбиции учёного, и он решает расширить поле своей деятельности. Он принимается ещё за четыре научных труда: о неизменности Вселенной, о влиянии небес на Землю, о движениях планет и о физической природе звёздных тел. Свои работы и предположения он рассылает многим астрономам, чьи взгляды он поддерживает, и чьи работы служат для него примером, с целью получения их одобрения. Одно из этих писем оборачивается дружбой с Тихо Браге, с которым Кеплер обсуждет множество вопросов относительно астрономических и небесных явлений.
А в это время в Протестантской школе Граца назревает религиозный конфликт, который ставит под угрозу дальнейшее его преподавание в школе, а потому он покидает учебное заведение и присоединяется к астрономическим трудам Тихо. 1 января 1600 г. Кеплер уезжает из Граца и отправляется работать к Тихо. Результатом их совместной работы станут выдающиеся труды «Астрономия с точки зрения оптики», «Рудольфовы таблицы» и «Прусские таблицы». Рудольфовы и прусские таблицы были представлены императору Священной Римской империи Рудольфу II. Но в 1601 г. Тихо внезапно умирает, и Коперник назначается императорским математиком, на которого возлагается ответственность закончить начатый Тихо труд. При императоре Кеплер дослужился до главного астрологического советника. Помогал он правителю и во время политических смут, не забывая при этом своих трудов по астрономии. В 1610 г. Кеплер начинает совместную работу с Галилео Галилеем, и даже издаёт свои собственные телескопические наблюдения за спутниками различных планет. В 1611 г. Кеплер конструирует телескоп для астрономических наблюдений собственного изобретения, который так и назовёт – «кеплеровский телескоп».
Наблюдения сверхновой
В 1604 г. учёный наблюдает на звёздном небе новую яркую вечернюю звезду, и, не веря своим глазам, замечает вокруг неё туманность. Подобную сверхновую можно наблюдать лишь раз в 800 лет! Считается, что такая звезда появлялась на небе при рождении Христа и в начале правления Карла Великого. После такого уникального зрелища, Кеплер проверяет астрономические свойства звезды и даже начинает изучение небесных сфер. Его вычисления параллакса в астрономии выводят его на первый план в этой науке и укрепляют его репутацию.
Личная жизнь
За свою жизнь Кеплеру пришлось пережить немало эмоциональных потрясений. 27 апреля 1597 г. он женился на Барбаре Мюллер, к тому времени дважды вдове, у которой уже была юная дочь, Джемма. В первый же год супружеской жизни у Кеплеров рождается двое дочерей.
Обе девочки умирают ещё в младенчестве. В последующие годы в семье родится ещё трое детей. Однако здоровье Барбары пошатнулось, и в 1612 г. она умирает.
30 октября 1613 г. Кеплер женится снова. Пересмотрев одиннадцать партий, он останавливает свой выбор на 24-летней Сузанне Реуттинген. Первые трое детей, родившиеся от этого союза, умирают в младенчестве. Судя по всему, вторая женитьба оказалась счастливее первой. В довершение семейных бедствий, мать Кеплера обвиняют в занятии колдовством и заключают в тюрьму на четырнадцать месяцев. По свидетельствам очевидцев, во время всего процесса сын не оставлял мать.
Смерть и наследие
Кеплер умер как раз перед тем, как должен был наблюдать прохождения Меркурия и Венеры, которые ожидал с большим нетерпением. Он скончался 15 ноября 1630 г., в Регенсбурге, в Германии, после непродолжительной болезни. Многие годы на законы Кеплера смотрели скептически. Однако, спустя некоторое время, учёные взялись проверить теории Кеплера, и, постепенно, стали соглашаться с его открытиями. «Сокращение коперниковой астрономии» – главный проводник идей Кеплера – много лет служил руководством астрономам. Известные учёные – как, например, Ньютон, – строили свои теории на работах Кеплера.
Известен Кеплер также и своими философскими и математическими трудами. Целый ряд именитых композиторов посвятили Кеплеру музыкальные композиции и оперы, «Гармония мира» в их числе.
В 2009 г., в память о вкладе Кеплера в развитие астрономии, управление НАСА провозгласило миссию «Кеплер».
Основные труды
- «Новая астрономия»
- «Астрономия с точки зрения оптики»
- «Тайна Вселенной»
- «Сон»
- «Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках»
- «Догадки Кеплера»
- «Закон неразрывности»
- «Кеплеровские законы движения планет»
- «Сокращение коперниковой астрономии»
- «Гармония мира»
- «Рудольфовы таблицы»
Оценка по биографии
Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку
Кеплер прожил не слишком длинную и очень нелегкую жизнь. Несмотря на это, он обогатил науку потрясающими достижениями, потребовавшими не только гениальных озарений, но и многолетнего изнурительного труда, масштаб которого удивляет и сегодня.
Иоганн Кеплер – первым в мире! – пришел к заключению, что все планеты подвержены силовому воздействию со стороны солнца, которое и заставляет их двигаться по орбитам
По решению Генеральной ассамблеи ООН 2009 год стал Международным годом астрономии в честь 400-летнего юбилея исследования небесных тел с помощью телескопов. Однако 1609 год привнес в историю науки еще одно великое событие: Иоганн Кеплер опубликовал трактат, где были изложены два закона движения планет, которые сейчас носят его имя (третий, и последний, закон появился в печати на десять лет позже). Так что для астрономии нынешний год — дважды юбилейный.
Детство Кеплера, родившегося 27 декабря 1571 года в городке Вейль неподалеку от Штуттгарта, нельзя назвать безоблачным. Семья жила небогато, к тому же он рос практически без отца, который неоднократно нанимался ландскнехтом в чужеземные армии и исчез насовсем, когда Гансу было всего 16 лет. Детей воспитывала мать Катарина, дочь владельца деревенской гостиницы, женщина неуживчивая, сварливая и совершенно необразованная. Гансу светила совершенно ординарная жизнь, но судьба рассудила иначе. Мальчик не вылезал из болезней (оспа, несварение желудка, мигрени) и не годился для физической работы. Но голова у него действовала отлично. В семь лет Ганс поступил в начальную немецкую школу, откуда перешел в латинское училище. В 13-летнем возрасте он выдержал конкурсный экзамен, открывший доступ к духовному образованию. Юноша блестяще окончил семинарии первой и второй ступени и осенью 1589 года стал студентом Тюбингенского университета.
Конечно, сегодня попытки Кеплера объяснить пропорции Солнечной системы с помощью правильных многогранников вызывают улыбку, но ученый верил в свою правоту. Да и было с чего. Согласно Копернику, радиусы планетных орбит от Меркурия до Сатурна относятся как 0,38:0,72:1,00:1,52:5,2:9,2 (радиус земной орбиты принят за единицу). А вычисления на основе кеплеровской модели дают довольно похожие соотношения 0,42:0,76:1,00:1,44:5,3:9,2. Расхождения имеются, но сравнительно небольшие. Первый закон Кеплера (Закон эллипсов). Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Второй закон Кеплера (Закон площадей). Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, заметает секторы равной площади. Третий закон Кеплера (Гармонический закон). Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
В Тюбингене Кеплер провел около пяти лет. За два года он прошел курс факультета свободных искусств и получил степень магистра. Одним из его наставников был Михель Мёстлин — автор довольно известного учебника по астрономии и верный последователь Коперника. Под руководством Мёстлина Кеплер изучил труды греческих геометров, арифметику, тригонометрию и начатки алгебры. Он постиг также тонкости птолемеевской и коперниканской космологии и стал убежденным сторонником гелиоцентрической системы. Однако о занятиях наукой юноша не помышлял и собирался продолжать образование на богословском факультете, куда поступил в 1591 году. Перед этим университетский сенат испросил городские власти Вейля сохранить Кеплеру стипендию на весь оставшися срок обучения. «Юный Кеплер, — писали профессора, — наделен таким выдающимся умом, что от него можно ожидать незаурядных достижений».
Однако духовной карьере Кеплера не суждено было состояться. 13 марта 1594 года его как лучшего выпускника отправили в австрийский город Грац, чтобы срочно заменить скончавшегося учителя математики в лютеранской школе.
Голландские трубы
Кеплер обжился в Граце и смирился со своей новой профессией. Все шло к тому, что он так и останется отлично образованным, но все же вполне рядовым преподавателем провинциальной школы. К счастью для мировой науки, судьба решила иначе. 19 июля 1595 года свершилось событие, которое радикально изменило жизнь Кеплера и вывело его на дорогу великих открытий в физике и астрономии.
Все началось с урока, в ходе которого Кеплер объяснял движение Юпитера и Сатурна по небесной сфере. Каждые 20 лет эти планеты сближаются в поясе зодиакальных созвездий — Юпитер нагоняет Сатурн, а потом уходит вперед (эти встречи имели место в 1563 и 1583 годах и должны были произойти в 1603, 1623 и 1643). С незапамятных времен астрономы и астрологи замечали, что зоны такого сближения каждый раз смещаются в зодиакальном поясе чуть меньше чем на треть полного круга. Кеплер начертил на доске окружность, расположил на ней на равных расстояниях 12 зодиакальных созвездий и отметил несколько сближений Юпитера и Сатурна, начав 1583 годом.
И вот что вышло. Если соединить три последовательных сближения отрезками, получается правильный треугольник, вписанный в зодиакальную окружность. Повторение этой операции дает такой же треугольник, только несколько повернутый (поскольку смещение все же не доходит до 120 градусов). Если продолжать дальше, середины сторон всех получающихся треугольников очертят окружность вдвое меньшего радиуса по сравнению с той, в которую они вписаны. Тут Кеплера осенило. Он знал, что согласно книге Коперника «Об обращении небесных сфер» радиус орбиты Сатурна примерно в 1,75 раза превышает юпитерианский. А эта величина слишком близка к отношению радиусов внешней и внутренней окружностей 2:1, чтобы счесть ее случайным совпадением. А вдруг соотношения между параметрами планетных орбит определяются свойствами определенных геометрических объектов? Позднее Кеплер вспоминал, что это озарение привело его в состояние восторга, которое невозможно передать словами.
Это было лишь начало. Кеплер быстро осознал, что с помощью плоских фигур устройство планетной системы понять невозможно, необходимы объемные тела. Еще античным математикам были известны пять правильных многогранников: четырехгранный тетраэдр, шестигранный куб, восьмигранный октаэдр, 12-гранный додекаэдр и 20-гранный икосаэдр. Кеплер решил, что они укладываются в структуру, которая определяет как число планет (тогда их было известно всего шесть!), так и их орбитальные параметры. Это шесть концентрических сфер, из которых пять содержат вписанные многогранники. Первая, внешняя сфера соответствует орбите Сатурна. В нее вложен куб, а в него — вторая сфера, сфера Юпитера. В эту сферу вписан тетраэдр, в котором расположена сфера Марса. Двигаясь к центру системы, мы пересечем додекаэдр, содержащий вписанную земную сферу, икосаэдр со сферой Венеры и, наконец, октаэдр со сферой Меркурия. Она не содержит вписанных тел, а в ее центре находится Солнце.
Уже в октябре Кеплер начал писать книгу с изложением своей системы. Этот труд несколько месяцев печатался в Тюбингене и был окончательно сброшюрован в марте 1597 года. Его длиннейший заголовок обычно дают в сокращенном варианте: Mysterium cosmographicum — «Тайна мироздания».
В 1611 году Иоганн Кеплер усовершенствовал телескоп, заменив рассеивающую линзу в окуляре собирающей. Это позволило увеличить поле зрения и вынос зрачка, однако система Кеплера дает перевернутое изображение. Практически все последующие телескопы-рефракторы строились по системе Кеплера. Преимущество зрительной трубы Кеплера заключается, в частности, в том, что в ней имеется действительное промежуточное изображение, в плоскость которого можно поместить измерительную шкалу.
Кеплер сам отправил монографию нескольким видным астрономам. Одна из копий через третьи руки попала к не слишком известному профессору математики Падуанского университета Галилео Галилею, который отозвался на нее весьма доброжелательным письмом (правда, в основном его обрадовало, что у теории Коперника появился еще один сторонник). Кеплер отправил свой труд и первому астроному Европы датчанину Тихо Браге, который счел упражнения с многогранниками остроумными, но совершенно спекулятивными. Однако в сильно задержавшемся ответном письме Браге дал понять, что готов ознакомить Кеплера со своим обширным архивом наблюдений движений планет, произведенных в лучшей в мире обсерватории на острове Гвен вблизи Копенгагена. Для Кеплера это приглашение оказалось воистину судьбоносным, хоть воспользовался он им далеко не сразу.
Публикация «Тайны мироздания» сделала Кеплера астрономом с именем. Через четверть века он писал, что эта небольшая книга дала толчок всем его последующим исследованиям. И было там по‑настоящему революционное озарение, которое современники практически не заметили. Кеплер — первым в мире! — пришел к заключению, что все планеты подвержены силовому воздействию со стороны Солнца, которое и заставляет их двигаться по орбитам. Эта идея не соответствует принципам ньютоновской динамики (планеты движутся по инерции, а солнечное притяжение лишь искривляет их пути), но она навела Кеплера на очень плодотворные заключения. Из нее следовало, что планеты должны двигаться тем быстрее, чем они ближе к Солнцу, — ведь разгоняющая их сила возрастает по мере приближения к светилу. Через несколько лет логика этого рассуждения помогла Кеплеру открыть законы планетных движений.
Рудольфовы таблицы
Осенью 1598 года в Штирии начались гонения на протестантов. Кеплеру вместе с многими единоверцами пришлось покинуть Грац, но через месяц ему в виде исключения позволили вернуться и продолжить работу в качестве окружного математика. Тем не менее из-за изгнания ректора и почти всех учителей занятия в школе прекратились. Кеплеру стало ясно, что будущего в Граце у него нет. Он предпринимал лихорадочные попытки найти место за пределами Австрии, но безуспешно.
И тут помог Тихо Браге, который к этому времени стал придворным математиком императора Священной Римской империи и короля Богемии Рудольфа II. В декабре 1599 года Браге вторично пригласил Кеплера в целях совместной работы. Еще до получения этого письма Кеплер отправился в имперскую столицу Прагу в надежде стать ассистентом Браге. 4 февраля ученые встретились, и после этого свидания их жизненные линии уже не расплетались, хотя личные отношения оказались очень непростыми. Браге попросил императора взять Кеплера на службу, дабы тот смог обработать его архивы и составить на их основе самые совершенные таблицы планетных движений. Эти таблицы Браге предложил назвать в честь императора — Рудольфовыми. План монарху понравился, и он дал согласие.
Первоначально предполагалась, что для Кеплера создадут специальную должность. Однако вскоре Тихо Браге скоропостижно скончался (среди причин смерти назывались и детективные версии). Через два дня после похорон Браге Кеплера назначили придворным математиком с годовым окладом 500 флоринов. Правда, императорская казна перманентно пустовала и Кеплеру хронически не доплачивали. Однако он получил часть архива Браге — ту, которая относилась к движениям Марса. Эти материалы и легли в основу кеплеровской теории планетных движений, обессмертившей имя своего создателя.
Новая астрономия
Кеплер прожил в Праге 11 лет — самых спокойных и плодотворных. Там он написал свой главный астрономический труд. Сначала Кеплер хотел назвать его «Марсианскими комментариями», но потом придумал заголовок посложнее — «Новая астрономия, обоснованная в соответствии с ее причинами, или Небесная физика, изложенная посредством комментариев к движениям Марса, вычисленных на основе наблюдений благородного мужа Тихо Браге». Именно эта книга была напечатана в судьбоносном для астрономии 1609 году.
Анализ марсианских движений Кеплер начал с Земли. И это естественнно, ведь именно с этой движущейся космической платформы Тихо Браге определял небесные координаты и Марса, и остальных планет. На основании этих измерений Кеплер показал, что Земля то приближается к Солнцу, то удаляется от него. В соответствии с теорией, изложенной еще в «Тайне мироздания», отсюда следует, что скорость орбитального движения Земли уменьшается вдали от Солнца и возрастает по мере приближения к светилу. Именно эту закономерность Кеплер и выявил, обрабатывая результаты Тихо Браге.
Иоганн Кеплер посвятил свою жизнь изучению движения планет Солнечной системы, а названный в его честь космический телескоп (запущен 6 марта 2009 года) будет исследовать планетарные системы других звезд.
Этот вывод позволил ученому по‑новому понять движение Марса. Уже античные астрономы знали, что Марс движется по небосводу с переменной скоростью. Объяснение было таким: и Марс, и прочие планеты совершают комбинации круговых движений, скорости которых строго постоянны, поэтому наблюдаемая переменная скорость — всего лишь видимость. А вот с точки зрения Кеплера, непостоянство скорости Марса совершенно реально и объясняется тем, что эта планета, как и Земля, изменяет свое расстояние от Солнца. Кроме того, Кеплер убедился, что Земля движется вполне аналогично Марсу, то есть является обычной планетой. Это был сильный аргумент в пользу гелиоцентрической теории Коперника, которая в те времена отнюдь не пользовалась всеобщим признанием (в частности, ее не разделял Тихо Браге).
Кеплер поначалу исходил из того, что Земля движется по окружности, центр которой находится не слишком далеко от Солнца. Эта рабочая гипотеза позволила описать изменчивость планетарной скорости Земли в виде простого математического правила: радиус-вектор планеты (отрезок, соединяющий ее с Солнцем) за равные промежутки времени зачерчивает равные площади. В списке законов Кеплера это правило значится под вторым номером, хотя исторически было установлено раньше прочих, в самом конце 1601 или в начале 1602 года.
Второй закон Кеплера следует из того, что орбитальное движение планеты не меняет ее момента количества движения. Сей факт прямо следует из ньютоновской динамики, но Кеплеру, конечно, он не был известен. Свой закон площадей Кеплер фактически угадал, а если и обосновал, то весьма приблизительно. Однако проверка на им же вычисленных параметрах земной орбиты подтвердила, что это правило хорошо соблюдается. Судя по всему, Кеплер в ходе работы над «Новой астрономией» все же не уверился в нем до конца; во всяком случае, он не утверждает его истинности открытым текстом. Математическое доказательство закона площадей дал только Исаак Ньютон. Наверное, не лишне заметить, что этому закону подчиняются любые тела, движущиеся в центральном поле тяготения, даже если они перемещаются по разомкнутым траекториям. Более того, силовой потенциал вовсе не обязан соответствовать ньютоновскому закону обратных квадратов — достаточно, если он зависит только от расстояния до центра силы. Так что второй закон Кеплера обладает куда большей общностью, нежели предполагал его первооткрыватель.
Самым крепким орешком оказалось определение формы марсианской орбиты. С помощью крайне трудоемких вычислений Кеплер установил, что она никак не может быть окружностью. Сначала Кеплер решил, что Марс движется по овалу, потом попробовал нечто вроде сечения яйца, но все эти фигуры явно не соответствовали наблюдениям Тихо Браге. В конце концов Кеплер увидел, что отношение минимального и максимального расстояний между Марсом и Солнцем отличается от единицы на величину, равную половине квадрата орбитального эксцентриситета (отношения дистанции между Солнцем и центром орбиты к ее радиусу). Именно такое соотношение должно выполняться, если орбита — правильный эллипс (в предположении, что эксцентриситет много меньше единицы). Выходило, что Марс движется по эллипсу, в одном из фокусов которого расположено Солнце. Если это утверждение обобщить на остальные планеты, получается первый закон Кеплера. Правда, такое обобщение Кеплер сформулировал позднее, но, судя по всему, считал так с самого начала.
Кеплер окончательно пришел к концепции эллиптической орбиты Марса весной 1605 года. После этого он всего за несколько месяцев закончил рукопись «Новой астрономии» (книга вышла лишь спустя четыре года, но на то были ненаучные причины).
Колдовство, война и гармония мира
Публикация этой книги принесла Кеплеру европейскую известность. Правда, его результаты признали далеко не все — например, их так и не принял (а возможно, и не понял) великий Галилей. Но такова судьба едва ли не всех великих открытий.
А жизнь продолжалась — и не всегда удачно. Умерла жена, оставив Кеплера с двумя маленькими детьми. Незадолго до этого с престола был смещен покровитель Кеплера Рудольф II. Осложнились отношения с лютеранскими священниками, которые заподозрили его в сочувствии кальвинизму. Из-за этого Кеплер не смог получить работу в Вюртемберге, куда хотел вернуться. После длительных переговоров Кеплеру предложили место математика в Линце, столице Верхней Австрии, на условиях, что он продолжит работу над таблицами планетных движений и займется местной картографией. Кеплер перебрался в Линц в 1612 году и прожил там 14 с половиной лет. Там он повторно женился, и супруга родила ему семерых детей.
На годы жизни в Линце пришелся длительный процесс по обвинению матери Кеплера в колдовстве, и ее защита отняла у ученого много здоровья и душевных сил. К тому же весной 1618 года началась Тридцатилетняя война, со временем захлестнувшая и Верхнюю Австрию.
Но Кеплер работал — и как работал! В 1619 году он опубликовал свой любимый труд «Пять книг гармонии мира». Об астрономии в нем говорится немного, больше о геометрии и философии. Однако именно на страницах этой книги появился третий закон Кеплера, который он открыл 15 мая 1618 года.
В 1617—1621 годах увидел свет публиковавшийся по частям самый обширный труд Кеплера «Очерки коперниканской астрономии», первый в мире учебник с детальным описанием гелиоцентрической модели мира. В этой книге законы планетных движений представлены как общие принципы, которым подчиняются все планеты; там же приведены результаты вычислений, с помощью которых Кеплер определил орбитальные параметры Меркурия, Венеры, Юпитера и Сатурна. В этой монографии впервые появился термин «инерция» — правда, не в том понимании, что сложилось после работ Галилея и Ньютона.
В конце пребывания в Праге после изнурительных переговоров с наследниками Тихо Браге Кеплер получил в свое распоряжение весь архив его наблюдений и у него наконец-то появилась возможность вплотную впрячься в составление астрономических таблиц, ради которых его взял на службу покойный Рудольф II. Эта исполинская работа была завершена во второй половине 1624 года.
Стереометрия винных бочек и путешествие на Луну
Кеплер известен прежде всего как астроном. Кроме упомянутых трудов он написал книгу о своих наблюдениях сверхновой звезды, вспыхнувшей в октябре 1604 года. Он первым объяснил возникновение приливов притяжением Луны и первым предположил, что Солнце вращается вокруг собственной оси. Однако его достижения отнюдь не ограничиваются небесной наукой. В 1604 и 1611 годах Кеплер опубликовал фундаментальные труды по оптике и физиологии зрения. Во второй работе, «Диоптрике», он не только объяснил принцип действия тогдашних подзорных труб с собирающим объективом и рассеивающим окуляром, но и предложил конструкцию трубы нового типа с двумя выпуклыми линзами (с тех пор ее называют кеплеровской). Его математические исследования, собранные в книге «Новая стереометрия винных бочек», изданной в 1615 году, проложили путь к интегральному исчислению. Кеплер первым вычислил общепринятый ныне год рождения Иисуса Христа (4 год новой эры) и написал изданный посмертно рассказ «Сновидение» о путешествие на Луну — вероятно, первое научно-фантастическое произведение в мировой литературе. И, наконец, кеплеровская идея объяснения свойств мироздания на основе фундаментальных геометрических симметрий возродилась в современной физике элементарных частиц. В общем, Кеплер был просто обыкновенным гением.
Конец пути
Выпустив в свет «Рудольфовы таблицы», Кеплер выполнил обязательства перед имперским правительством. Ученый мог остаться в прежней должности императорского математика ценой перехода в католичество, но решительно от этого отказался. Он готов был переехать в Англию, но в конце концов согласился пойти на службу математиком к австрийскому военачальнику Альбрехту Валленштейну.
В августе 1630 года Валленштейн был смещен со своего высокого поста, так и не выплатив Кеплеру обещанного жалованья. В надежде получить хоть часть причитавшихся денег Кеплер в октябре отправился в Регенсбург, где заседал имперский сейм. Он добрался туда вконец простуженным и 15 ноября скончался. На не сохранившемся до наших дней надгробии была выбита латинская эпитафия, сочиненная самим Кеплером:
Mensus eram coelos; nunc terrae meteor umbras;
mens coelestis erat; corporis umbra jacet.
Я небеса измерял, ныне тени Земли измеряю.
Дух мой на небе жил, здесь же тень тела лежит.
Иоганн Кеплер - выдающийся немецкий учёный, всего в жизни достигший благодаря недюжинному упорству и целеустремлённости. Расцвет деятельности учёного пришёлся на изнурительную Тридцатилетнюю войну. Но ни разруха, ни нищета не смогли воспрепятствовать беззаветному служению. Принимая удары судьбы, Кеплер самоотверженно работал и дарил миру открытия вопреки неблагоприятным обстоятельствам, сопровождавшим его на протяжении недолгой жизни.
Родился Иоганн Кеплер 27 декабря 1571 г. в небольшом городке Вайль-дер-Штадт. Отец его имел должность бургомистра в Голландии, часто разъезжал по миру и редко бывал дома. Когда сын достиг восемнадцатилетнего возраста, отец уехал по служебным делам и больше дома не появлялся. Мать мальчика - Катарина, была хозяйкой трактира. Еще она занималась предсказанием судеб.
Астрономией Иоганн увлекся с детства, точнее - с 6-летнего возраста. С тех пор, как увидел падение кометы, а чуть позже, в 1580 году - лунное затмение, любознательный мальчик понял, что хочет связать жизнь с изучением звёзд.
Детство юного Кеплера омрачало слабое здоровье и отсутствие надлежащего ухода. Родители не слишком заботились об образовании ребенка, в 7-летнем возрасте они определили мальчика в начальную школу, и лишь после её окончания встал вопрос, куда отправить сына для дальнейшего обучения. К тому времени отец с ними уже не жил, денег у семьи не было, а выполнять физическую работу молодой человек не мог по состоянию здоровья. В таких обстоятельствах юноша был фактически обречён выбрать духовную карьеру.
В 1584 году Иоганн поступает в низшую семинарию, которую оканчивает через 2 года, и сразу становится учащимся высшей семинарии в Маульбронне. Как способному студенту город выделил ему ежемесячный пансион, что очень помогло Кеплеру учиться в высшей школе - там, где он хотел. В 1591 году он становится студентом высшего учебного заведения в городке Тюбинген, начав обучение на факультете искусств (к ним на тот момент относились и математика, и астрономия). Там он узнаёт о существовании системы мира, которую разработал Николай Коперник.
Поначалу Кеплер планировал быть священником, но в 1594-м его пригласили вести занятия по математике в университете австрийского Граца, и следующие 6 лет он работал именно там.
В 1596 году была напечатана первая книга Иоганна, которую он назвал «Тайна мира». В этом любопытном труде автор демонстрирует нетривиальное мышление при попытке обнаружить гармонию вселенной, «поселив» 5 планет в многогранники. В авторском воображении планетарным орбитам соответствуют геометрически правильные фигуры, встроенные друг в друга. Например, Сатурн он представил в виде шара, Юпитеру соответствовал куб, фигурой Марса стал тетраэдр.
Год спустя Иоганн женился на Барбаре Мюллер фон Мулек, для которой это был второй брак. Первый муж её скончался, оставив супругу молодой вдовой. После неудачных попыток обзавестись потомством (двое малышей скончались в младенческом возрасте) и прокатившейся волны преследований протестантов Кеплер, попавший в перечень еретиков, спешно покинул Австрию.
В 1600-м астроном обосновался в Праге. Город был выбран не случайно, здесь жил Тихо Браге (тот самый Тихо Браге, кому Кеплер отсылал свой первый труд) - астролог при императорском дворе, который отчасти разделял его идеи и симпатизировал молодому учёному. Когда спустя год Браге уходит из жизни, на его место поступает Кеплер. Кажется, будто после смерти друга у Иоганна наступила «черная полоса» в жизни. Мало того, что из-за нестабильной ситуации в стране бюджет был скуден, и оплату учёный получал нерегулярно, так ещё объявились наследники Тихо Браге. Они претендовали на его научные разработки, и Иоганну пришлось расстаться со значительной денежной суммой, выплаченной в качестве отступных.
В 1604 г. ученый обнародовал свои наблюдения сверхновой, которая сегодня носит его имя.
Всё же Браге был прекрасным наблюдателем и оставил после себя множество рукописей по астрономии, которые Иоганн тщательно разбирает последующие несколько лет. Теперь ему кажется, что в своей работе «Тайна мира» он допустил ошибки, к примеру, Марсу соответствует не круг, а эллипс. Скрупулёзно проанализировав записи покойного товарища, Кеплер сформулировал астрономические законы и опубликовал их в 1609 году в книге “Новая астрономия”.
За десятилетие, проведённое в Праге, у супругов родилось трое малышей, однако в 1611 году эпидемия оспы уносит жизнь старшего из сыновей - Фридриха. Вскоре после продолжительной болезни уходит из жизни и верная спутница Иоганна.
В 1612-м Кеплер переезжает в Линц и занимает должность астролога при императоре, но средств к существованию всё равно не хватает. Год спустя он женится на дочери столяра, которой на тот момент едва исполнилось 24 года. За время совместной жизни они нажили четверых детей.
В 1615 году до Кеплера доходит страшная информация - мать обвиняется в колдовстве. Обвинение в то время очень серьёзное, тогда по этой причине было казнено через сожжение множество женщин. Иоганн вступается за мать. Следствие длится несколько лет, на суде он сам выступает в роли защитника, и вскоре уставшую и измученную женщину всё же отпускают. Прожив год, она умерла.
В 1816 году Кеплер сформулировал третий закон и опубликовал его в дополненном варианте своей книги.
1626 год ознаменовался осадой и захватом города Линц, где жил учёный, и он переселился в Ульм. Из-за невзгод военного времени повсюду в округе царили разруха и запустение. Когда Кеплер оказался в трудной ситуации - денег не хватало катастрофически - ему пришлось направиться к императору с просьбой о выплате полагавшегося жалованья. На пути в Регенсбург он подхватил серьёзную простуду, которая свела его в могилу. Это случилось 1630 году, учёному не исполнилось и шестидесяти лет.
Но и после кончины злоключения продолжались. После 30-тилетней войны погост, на котором находилась его могила, был абсолютно разгромлен. От захоронений не осталось и следа. Ещё хуже, что после пожаров половина записей учёного бесследно пропала. Всё, что осталось от его наблюдений, Петербургская Академия наук в 1774 году выкупила, и по сегодняшний день наследие Кеплера находится в Санкт-Петербурге, с рукописями можно ознакомиться в оригинале.
Много идей и открытий подарил потомкам талантливый фантазёр Иоганн Кеплер - европейский математик средневековья, знаменитый механик и астроном, интересовавшийся оптикой и увлечённый астрологией.
Кеплер сформулировал три закона движения планет. Первый гласил, что траекторией движения их является эллипс. Второй закон доказывал, что при приближении к солнцу скорость небесных тел изменяется, третий закон помогал вычислить данную скорость. Изучая систему мира, Иоганн взял за основу модель Коперника, но в ходе своей работы практически полностью отошел от неё, поэтому в этих концепциях так мало общего.
Выведенное им «уравнение Кеплера» до сих пор используется в астрономии для определения положения небесных тел. Впоследствии, открытые исследователем законы кинематики планет взял за основу Ньютон для своей теории тяготения. Кроме того, Иоганн Кеплер является автором самого первого изложения «астрономии Коперника». До этого данная книга, состоящая из трёх томов, много лет оставалась запрещённой.
Кроме изучения небесных тел, он много внимания уделял математике и сформулировал способ определения объёма вращающихся тел, описав его в работе «Новая стереометрия винных бочек». Книга увидела свет в 1615 году. Она уже содержала первые элементы интегрального исчисления. Кроме сказанного, Кеплер был первым, кто представил современникам таблицу логарифмов. Он же впервые употребил термин «среднее арифметическое».
Также с именем Иоганна Кеплера связано понятие «инерция», используемое сегодня в физике. Это он доказал, что тело имеет свойство сопротивляться приложенной внешней силе. Несмотря на то, что часть интересов средневекового учёного распространялась на астрологию, его имя и идеи известны всем современным математикам, физикам и астрономам, а научные достижения спустя века не утратили значение.
С незапамятных времен человек интересовался звездным небом. Не только чарующая красота и любопытство направляло человеческие взоры в звёздное небо, но и интерес к изучению движения небесных объектов.
Великий ученый. Иоганн Кеплер (1571-1630 г.ж.)
Изучение перемещений и изменений на звездном небе позволило людям составить первые календари, а также предсказывать такие явления, как солнечные и лунные затмения. Мореплаватели могли по звездам точно прокладывать себе курс, а путешественники находить направление на суше. Одним из великих немецких ученых, который интересовался движением небесных объектов, являлся астроном Иоганн Кеплер
.Предыстория.
Еще древние астрономы изучили видимый путь Солнца и Луны. Они установили, что на небе солнце описывает полукруг, перемещаясь с запада на восток. Также было установлено, что в году 365 суток. Древние наблюдатели за небом установили, что маршрут Солнца не изменен, и оно появляется там, где нужно, и исчезает там, где положено. Они назвали данный круг эклиптикой, что звучит на греческом языке - Clipce. Греки связывали эклиптику с солнечными и лунными затмениями. Видимое обращение Солнца по эклиптике является основой земного календарного года.
Древние астрономы установили также, что Луна движется с запада на восток, при этом совершает полный круг за 27 суток. Самое интересное, что движение Луны не равномерное. Она может ускорять или замедлять движение в незначительной мере. Период видимого перемещения Луны стал основой земного календарного месяца.
Если смотреть на звездное небо, то, кажется, что звёзды неподвижны относительно друг друга. Полный оборот звёздный небосвод совершает за определенное время, которое называется звёздными сутками.
Рядом со звездами древние люди рассмотрели пять небесных объектов, которые внешне похожи на звезды, но имеют более яркое свечение. Эти объекты принимают неотъемлемое участие в движении звездного неба. Их траектории движения казались для древних астрономов запутанными и сложными. Если перевести слово «планета» с греческого языка, то это означает «блуждающая». В древнем Риме планетам дали названия, которые сохранились до нашего времени: Марс, Венера, Сатурн, Меркурий и Юпитер.
Древние ученые считали Солнце и Луну тоже планетами, так как те тоже совершали прогулку по звездному небу.
Древние ученые установили, что планеты, расположенные вблизи от эклиптики, могут через определенное время изменять свое направление движения. Но такого не наблюдалось в траекториях Луны и Солнца. Эти объекты совершали прямое движение планет. Но в один из моментов планета уменьшает скорость движения, останавливается на месте и начинает попятное движение, то есть в обратном направлении (с востока на запад). Далее в определенный момент планета совершает обратные действия и возвращается к первичному прямому движению. Если производить наблюдения за видимой частью звездного неба, то разобраться в закономерностях движения планет сложно. Для современных астрономов уже не осталось тайн движения планет, ведь дар знаний к ним пришел с многовековой историей астрономии. Некоторые открытия сделал немецкий ученый Иоганн Кеплер, который открыл еще в первой половине XVII столетия законы движения планет.
Современные знания о Солнечной системе образовались в ходе наработок и исследований звездного неба в течение тысячелетий. Многие древние ученые внесли свой вклад в эволюцию астрономии. Это Пифагор, Платон, Птолемей, Архимед и другие. Некоторые из них имели и заблуждения, которые давно доказаны. Про древних ученых и их достижения можно рассказывать много, но давайте вернемся к Иоганну Кеплеру (1571-1630 г.ж.).
Иоганну Кеплеру посчастливилось жить в одно время с не менее известным ученым – итальянцем Галилео Галилеем (1564-1642 г.ж.). Эти два ученых были приверженцами гелиоцентрической системы мира, которую в свое время предложил Коперник.
Гелиоцентрическая система мира Коперника.
Иоганн Кеплер со студенческих лет был сторонником учений Коперника. Хотя в Тюбингенском университете, где он учился с 1589 по 1592 года, астрономия трактовалась по учению Птолемея.
В 1596 году Кеплер издает свою первую книгу «Тайна мира», в которой он раскрывает тайную гармонию Вселенной. Фантазия Кеплера позволила нарисовать орбиты каждой из пяти планет Солнечной системы в виде кругов, которые вписаны в разнообразные многогранники правильной формы – кубы и тетраэдры.
Галилей, прочитав книгу Кеплера «Тайны миров», не согласился с некоторыми моментами фантастического геометрического построения. И спустя 25 лет Кеплер произвел корректировки в своей книге «Тайны миров» и по-новому переиздал ее.
Также оценил работу Кеплера известный астроном из Дании Тихо Браге (1546-1601 г.ж.), который прочитал «Тайны мира» и сказал, что ее автор имеет хорошие познания в области астрономии. Ему понравилось мышление Иоганна и то, что он произвел большой объём математических вычислений. В будущем состоялась встреча этих двух ученых, и Браге предложил 24-летнему Кеплеру работу в Праге на должности помощника по астрономическим наблюдениям и вычислениям. Они проработали несколько лет вместе, и их сотрудничество прервала смерть Тихо Браге в 1601 году. Потом Кеплеру была предложена должность придворного астронома при дворе Рудольфа II. Кеплеру осталось много наработок в области астрономии от Тихо Браге, которые при помощи математических расчетов позволили подарить миру известные законы Кеплера.
Законы Кеплера.
Закон 1. Этот закон гласит, что все планеты нашей солнечной системы вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. При этом координаты центра Солнца находятся не центральной части эллипса, а на одном из его фокусов. Это объясняет временное изменение расстояния между Солнцем и движущимися планетами.
Закон 2. Отрезок, который соединяет центры планет и Солнца называется радиусом или вектором планеты. Он способен описывать равные площади за одинаковые промежутки времени. Это говорит о том, что планеты при движении по эллиптической орбите не всегда двигаются с одинаковой скоростью. При приближении к Солнцу их движение ускоряется, а при удалении – замедляется. Этот закон получил название «закон площадей».
Закон 3. Этот закон в свое время был опубликован в книге «Гармония мира» (публиковалась по частям 1618 – 1621 г.в.). Квадраты периодов обращения пары планет относятся между собой как кубическое значение их средних расстояний от Солнца.
В то время не все ученые соглашались с Кеплером. Галилей не мог смериться, что планеты движутся не равномерно. Но со временем идеальность законов Кеплера было доказана. Законы Кеплера помогли Ньютону открыть закон всемирного тяготения и до сегодняшнего дня они являются основой небесной механики.
Существует еще одна крупная работа Кеплера, которая имеет название «Рудольфовы таблицы». Эта работа по астрономии, которая касается движения планет, была опубликована в 1627 году. Основу таблиц заложил еще Тихо Браге, а Кеплер проработал над ними 22 года. данные таблицы обладают большей точностью, чем предыдущие работы по астрономии «Прусские таблицы», которые были составлены астрономом Рейнгольдом в 1551 году. Хочется сказать, что «Рудольфовы таблицы» служили хорошим пособием для астрономов, моряков и путешественников в течение нескольких веков.
Также хочется сказать, что внимание Кеплера привлекали не только планеты, но и кометы. Он первый предположил, что видимость хвостов комет возможна под воздействием солнечных лучей. Поэтому хвост кометы всегда направлен в противоположную сторону от Солнца.
Кеплер также сделал вклад в области математики. Он создал теорию логарифмов на арифметической основе и свел в очень точные таблицы, которые были опубликованы в 1624 году.
Благодаря Кеплеру человечество получило определенные знания в области оптики. Он даже написал книгу «Диоптика». Его работы в области оптики были положены в основу создания оптической схемы телескопа, так как ему удалось изучить действие физиологического механизма зрения. Он впервые заявил о таких физиологических явлениях человека, как близорукость и дальнозоркость.
Кеплер подарил миру основы вычисления объемов различных тел вращения, и площадей плоских фигур, которые образованы кривыми второго порядка – овалом, эллипсом, сечением конуса и т.д. Эти методы были началом эры дифференциального и интегрального исчисления.
Про достижения Кеплера можно еще многое сказать. Этот ученый, который заложил основы, как в астрономии, так и в математике. Умер Иоганн Кеплер 15 ноября 1630 года в Регенсбрге от простуды.
> > Иоганн Кеплер
Биография Иоганн Кеплер (1571-1630 гг.)
Краткая биография:
Образование : Тюбингенский университет
Место рождения : Вайль-дер-Штадт, Священная Римская империя
Место смерти : Регенсбург
– немецкий астроном, математик: биография с фото, открытия и вклад в астрономию, законы движения планет, приемник Браге, влияние на Ньютона.
Иоганн Кеплер родился раньше назначенного времени 27 декабря 1571 года. Его краткая биография началась в Вайль-дер-Штадт (Германия). Он был болезненным ребенком и в раннее года болел оспой. Кеплер отправился учиться в университет Тюбингена, протестантское учреждение, где изучал теологию и философию, а также математику и астрономию. После завершения своего образования, он был принят на работу в качестве преподавателя математики и астрономии в Граце, Германия. В 1596 году, в возрасте 24 лет, Кеплер опубликовал Mysterium Cosmographicum (Космографическую Тайну). В этой работе он защищал теории Коперника, который отстаивал позицию о том, что Солнце, а не Земля, было в центре Солнечной Системы. был подвержен сильному влиянию пифагорейцев, полагая, что Вселенная управляется геометрическими отношениями, которые соответствуют вписанной и описанной окружностей пяти регулярных многоугольников.
В 1598 году, школа Кеплера в Граце была закрыта по инициативе Фердинанда Габсбурга. Кеплер хотел вернуться в Тюбинген, но его не желали отпускать, благодаря его известной вере в Коперниканизм. Астроном Браге тайно предложил Иоганну Кеплеру приехать в Прагу, чтобы тот был его помощником. Столкнувшись с католическим преследованием протестантских меньшинств в Граце, Кеплер принял предложение Браге и уехал в Прагу 1 января 1600 года. Когда Браге умер, на следующий год, Кеплер был назначен его преемником. Кеплер унаследовал от Браге знания о многих точном расположении определенных планет, в частности это касается Марса. Кеплер использовал эти данные для изучения орбиты планет. Он отказался от утверждения, что планета двигалась по кругу, и доказал, что орбита Марса на самом деле - эллипс. Этот, первый из законов Кеплера движения планет, появился в Astronomia Nova (Новая Астрономия), которую он опубликовал в 1609 году. Его второй закон движения планет, также опубликован в 1609 году, там он описывает концепцию планетарной скорости. Его третий закон, опубликован в 1619 году, он описывает соотношения между орбитальным расстоянием вращающихся планет и их расстояния от Солнца.
Если говорить коротко, то три закона Иоганна Кеплера движения планет звучат так:
- Каждая планета Солнечной системы вращается по эллипсу, Солнце находится в одном из фокусов такой планеты;
- Каждая планета движется в плоскости, которая проходит через центр Солнца, а за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.
- Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца соотносятся, как кубы больших полуосей орбит планет.
Иоганн Кеплер умер в Регенсбурге (Германия) 15 ноября 1630 года после непродолжительной болезни. Его важная работа позже заложит основу для Исаака Ньютона и теории гравитации. В биографии астрономов, Иоганн Кеплер был связывающем звеном между мыслями Коперника и Ньютона, и рассматривается как особо важная фигура в научной революции 17-го столетия.