Иоганн Кеплер

Иоганн Кеплер (27 декабря 1571, Вайль-дер-Штадт, Священная Римская империя — 15 ноября 1630, Регенсбург) — немецкий математик, астроном, оптик и астролог, открывший законы движения планет, названные его именем. Кеплер заложил основы современной небесной механики, создав математическую модель Солнечной системы, в которой планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Его работы стали важнейшим этапом перехода от геоцентрической системы Птолемея к гелиоцентрической системе Коперника и подготовили почву для открытия закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном.

Биография

Ранние годы и образование

Иоганн Кеплер родился в небогатой протестантской семье. Его отец, Генрих Кеплер, был наёмным солдатом, а мать, Катарина Гульденман, содержала трактир. Детство будущего учёного прошло в бедности и болезнях: в четырёхлетнем возрасте он перенёс оспу, из-за чего на всю жизнь остался с ослабленным зрением и повреждёнными руками.

В 1589 году Кеплер поступил в Тюбингенский университет, где изучал теологию, математику и астрономию. Его учителем астрономии был Михаэль Местлин, который тайно (из-за религиозных ограничений) знакомил студентов с гелиоцентрической системой Николая Коперника. Кеплер стал убеждённым сторонником этой системы, что определило всю его дальнейшую научную карьеру.

Профессор в Граце

В 1594 году, по рекомендации Местлина, Кеплер получил должность профессора математики в протестантской школе в Граце (Австрия). Помимо преподавания, он занимался составлением астрологических календарей и прогнозов, что было обычной практикой для математиков того времени и приносило дополнительный доход.

В 1596 году Кеплер опубликовал свою первую крупную работу — «Тайна мироздания» (Mysterium Cosmographicum). В ней он попытался объяснить расстояния между орбитами планет с помощью правильных многогранников (Платоновых тел), вписанных друг в друга. Несмотря на ошибочность этой гипотезы, книга привлекла внимание датского астронома Тихо Браге, который пригласил Кеплера к себе в Прагу.

Работа с Тихо Браге в Праге

В 1600 году, после религиозных преследований протестантов в Граце, Кеплер переехал в Прагу, где стал ассистентом Тихо Браге — придворного математика императора Рудольфа II. Браге обладал уникальным архивом точнейших астрономических наблюдений, особенно за движением Марса, которые он проводил в течение многих лет без помощи телескопа.

После смерти Браге в 1601 году Кеплер унаследовал его должность придворного математика и получил доступ ко всем его записям. На основе этих данных, особенно наблюдений Марса, Кеплер начал вычисления, которые привели его к отказу от традиционной идеи круговых орбит.

Пражский период и открытие законов

В 1604 году Кеплер наблюдал сверхновую звезду (позже названную «Сверхновой Кеплера»), что опровергало аристотелевское представление о неизменности небес. В 1609 году он опубликовал труд «Новая астрономия» (Astronomia Nova), в котором сформулировал первые два закона движения планет. В этой работе Кеплер впервые в истории астрономии отказался от круговых орбит и ввёл эллипсы, а также показал, что Солнце является физической причиной движения планет.

В 1611 году Кеплер усовершенствовал конструкцию телескопа, предложенную Галилео Галилеем, создав так называемый «телескоп Кеплера» с выпуклым окуляром, который давал большее поле зрения и перевёрнутое изображение. Эта оптическая схема стала основой для большинства рефракторов последующих столетий.

Последние годы в Линце и Регенсбурге

В 1612 году, после смерти императора Рудольфа II, Кеплер переехал в Линц, где работал учителем математики и продолжал свои исследования. В 1619 году он опубликовал «Гармонию мира» (Harmonices Mundi), где сформулировал третий закон движения планет. В 1627 году, после многолетних вычислений, Кеплер завершил «Рудольфинские таблицы» — наиболее точные на тот момент астрономические таблицы, которые использовались мореплавателями и астрономами в течение столетия.

Последние годы жизни Кеплера были омрачены судебным процессом против его матери, обвинённой в колдовстве. Учёный лично защищал её в суде и добился освобождения, но она умерла вскоре после выхода из тюрьмы. Кеплер скончался в 1630 году в Регенсбурге от лихорадки. Его могила была разрушена во время Тридцатилетней войны, но научное наследие сохранилось.

Законы Кеплера

Три закона движения планет, сформулированные Кеплером, стали основой небесной механики.

Первый закон (закон эллипсов)

Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Это означает, что расстояние от планеты до Солнца меняется в течение года: в перигелии (ближайшая точка) планета движется быстрее, в афелии (самая удалённая точка) — медленнее.

Второй закон (закон площадей)

Радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Иными словами, чем ближе планета к Солнцу, тем выше её орбитальная скорость. Этот закон является следствием сохранения момента импульса.

Третий закон (гармонический закон)

Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. Математически: T² ∝ a³, где T — период обращения, a — большая полуось орбиты. Этот закон позволил вычислять относительные расстояния планет от Солнца и был впоследствии обоснован Ньютоном через закон всемирного тяготения.

Научные труды и вклад в оптику

Кеплер внёс значительный вклад в оптику, систематизировав знания о зрении и преломлении света. В 1604 году он опубликовал «Дополнения к Вителлию» (Ad Vitellionem Paralipomena), где впервые объяснил механизм работы глаза, показав, что изображение формируется на сетчатке, а не в хрусталике, как считалось ранее. Он также описал причины близорукости и дальнозоркости.

В 1611 году вышла «Диоптрика» (Dioptrice) — первое систематическое изложение геометрической оптики, где Кеплер объяснил принцип работы телескопа и линз. Он ввёл понятие оптической оси, фокуса и увеличения, а также описал явление полного внутреннего отражения.

Астрология и религиозные взгляды

Кеплер, как и большинство учёных его времени, не отделял астрономию от астрологии. Он составлял гороскопы и астрологические прогнозы, считая, что небесные тела влияют на земные события, но не фатально, а через гармонические соотношения. В работе «О более достоверных основах астрологии» (1601) он пытался реформировать астрологию, придав ей математическую основу.

Кеплер был глубоко религиозным человеком, лютеранином. Он видел в своей научной работе способ познания божественного замысла, выраженного в математической гармонии мира. Несмотря на религиозные преследования, которым он подвергался как протестант в католических землях, Кеплер не изменил своим убеждениям и отказывался переходить в католицизм.

Память и наследие

Именем Кеплера названы:

• Кратер на Луне и кратер на Марсе.
• Астероид (1134) Кеплер.
• Космический телескоп «Кеплер» (NASA, запущен в 2009 году), предназначенный для поиска экзопланет.
• Университет в Линце (Австрия) — Университет Иоганна Кеплера.
• Закон Кеплера в математике — правило о расположении одинаковых сфер в пространстве (гипотеза Кеплера, доказанная в 1998 году).

Законы Кеплера остаются фундаментом классической небесной механики и используются для расчёта орбит искусственных спутников Земли и космических аппаратов.

Источники

• Кеплер И. Новая астрономия / Пер. с лат. — М.: Наука, 1980.
• Кеплер И. Гармония мира / Пер. с лат. — М.: Наука, 1982.
• Касаткин В. И. Иоганн Кеплер: жизнь и научная деятельность. — М.: Просвещение, 1971.
• Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии. — М.: УРСС, 2004.
• Gingerich O. The Eye of Heaven: Ptolemy, Copernicus, Kepler. — New York: American Institute of Physics, 1993.