"Định luật Kepler" - cụm từ này quen thuộc với tất cả những ai đam mê thiên văn học. Người này là ai? Ông đã mô tả mối liên hệ và sự phụ thuộc lẫn nhau của thực tại khách quan nào? Nhà thiên văn học, nhà toán học, nhà thần học, nhà triết học, người thông minh nhất trong thời đại Johannes Kepler (1571-1630) đã khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời.
Khởi đầu của cuộc hành trình
Johannes Kepler, người gốc Weil der Stadt (Đức), đến thế giới này vào tháng 12 năm 1571. Yếu ớt, thị lực kém, đứa trẻ đã vượt qua tất cả để chiến thắng trong cuộc đời này. Việc học của cậu bé bắt đầu ở Leonberg, nơi gia đình chuyển đến. Sau đó, anh chuyển đến một cơ sở đào tạo nâng cao, một trường học tiếng Latinh, để học những kiến thức cơ bản của ngôn ngữ này, mà anh dự định sẽ sử dụng trong các ấn phẩm trong tương lai.
Năm 1589, ông tốt nghiệp trường học tại tu viện Maulbronn ở thị trấn Adelburg. Năm 1591, ông nhập học trường đại học ở Tübingen. Một hệ thống giáo dục hiệu quả đã được tạo ra bởi các công tước sau sự ra đời của chủ nghĩa Lutheranism. Với sự giúp đỡ của các khoản tài trợ và học bổng cho người nghèo, các cơ quan chức năng đã cố gắngcung cấp cho các trường đại học những ứng viên có thể được đào tạo thành những giáo sĩ được đào tạo bài bản có khả năng bảo vệ đức tin mới trong thời điểm tranh cãi tôn giáo đang bùng nổ.
Trong thời gian làm việc tại cơ sở giáo dục, Kepler đã chịu ảnh hưởng của Giáo sư Thiên văn học Michael Möstlin. Sau này bí mật chia sẻ quan điểm của Copernicus liên quan đến ý tưởng về một vũ trụ nhật tâm (Mặt trời ở trung tâm), mặc dù ông đã dạy học sinh "theo Ptolemy" (Trái đất ở trung tâm). Kiến thức sâu sắc về các ý tưởng của nhà khoa học Ba Lan đã khơi dậy trong Kepler niềm yêu thích lớn đối với thiên văn học. Vì vậy, lý thuyết của Copernicus đã có một người ủng hộ khác, người đã tìm cách tự mình lĩnh hội các quy luật chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt trời.
Hệ mặt trời là một tác phẩm nghệ thuật
Thật kỳ lạ, người sau này khám phá ra quy luật chuyển động của hành tinh lại không coi mình là một nhà thiên văn học theo thiên chức. Trong suốt cuộc đời của mình, Kepler tin rằng hệ mặt trời là một tác phẩm nghệ thuật, tràn ngập những hiện tượng thần bí, anh mơ ước trở thành một linh mục. Nhà thiên văn học giải thích sự quan tâm của mình đối với lý thuyết Copernicus bởi thực tế là trước khi đưa ra kết luận từ nghiên cứu của riêng mình, anh ta phải nghiên cứu các ý kiến khác nhau.
Tuy nhiên, các giáo viên đại học đã nói về Kepler như một sinh viên có đầu óc xuất sắc. Năm 1591, sau khi nhận bằng thạc sĩ, nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực thần học. Khi họ gần hoàn thành, người ta biết rằng một giáo sư toán học đã qua đời tại trường Lutheran ở Graz. Đại học Tübingen khuyến nghị rằng một tài năng trong tất cả các lĩnh vực được tuyển dụng cho vị trí này.mối quan hệ tốt nghiệp. Vậy, tạm biệt quy luật chuyển động của hành tinh?
Nhân danh Chúa
Johann, 22 tuổi, miễn cưỡng từ bỏ công việc ban đầu của mình là một linh mục, nhưng vẫn nhận nhiệm vụ của một giáo viên toán học ở Graz. Trong khi giảng trên lớp, giáo viên mới tập vẽ trên bảng đen một số hình hình học liên quan đến các hình tròn đồng tâm và hình tam giác. Và anh chợt nảy ra ý nghĩ rằng những hình như vậy phản ánh một tỷ lệ cố định nhất định giữa kích thước của hai hình tròn, với điều kiện là tam giác đều. Tỉ số diện tích giữa hai hình tròn là bao nhiêu? Quá trình suy nghĩ đã đạt được động lực.
Một năm sau, một nhà thần học khác thường xuất bản tác phẩm đầu tiên của mình, Bí ẩn của vũ trụ (1596). Trong đó, anh ấy phác thảo quan điểm sáng tạo của mình về bí mật của vũ trụ, được ủng hộ bởi niềm tin tôn giáo.
Người khám phá ra quy luật chuyển động của hành tinh đã nhân danh Chúa để làm điều đó. Tiết lộ kế hoạch toán học của Vũ trụ, nhà nghiên cứu đưa ra kết luận: sáu hành tinh được bao bọc trong các khối cầu, giữa đó có năm khối đa diện đều. Tất nhiên, phiên bản dựa trên "thực tế" rằng chỉ có 6 thiên thể. Xung quanh quỹ đạo của Trái đất, Kepler đã phác thảo một khối đa diện hoàn hảo và một hình cầu chạm vào quỹ đạo của sao Hỏa.
Khối đa diện hoàn hảo
Xung quanh khu vực của Sao Hỏa, nhà khoa học đã mô tả một tứ diện và một hình cầu tiếp giáp với quỹ đạo của Sao Mộc. Trong khối icosahedron trong quỹ đạo của Trái đất, hình cầu của Sao Kim "ăn khớp" một cách hoàn hảo. Sử dụng phần còn lạicác loại khối đa diện hoàn hảo, phần còn lại cũng được thực hiện tương tự. Đáng ngạc nhiên là tỷ lệ của quỹ đạo hành tinh lân cận, được trình bày trong mô hình quả cầu lồng nhau của Kepler, lại trùng khớp với các tính toán của Copernicus.
Khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh, vị linh mục với đầu óc toán học chủ yếu dựa vào sự linh ứng của thần thánh. Anh ta không có cơ sở thực sự để lập luận. Ý nghĩa của luận thuyết "Bí mật của Vũ trụ" nằm ở chỗ nó là bước quyết định đầu tiên dẫn tới việc thừa nhận hệ nhật tâm của thế giới do Copernicus đặt ra.
Giả định so với độ chính xác cao
Vào tháng 9 năm 1598, những người theo đạo Tin lành ở Graz, bao gồm cả Kepler, bị những người cai trị Công giáo buộc ra khỏi thành phố. Mặc dù Johann đã được phép trở lại nhưng tình hình vẫn rất căng thẳng. Để tìm kiếm sự hỗ trợ, ông tìm đến Tycho Brahe, một nhà toán học và thiên văn học tại triều đình của Hoàng đế Rudolph II. Nhà khoa học này được biết đến với bộ sưu tập ấn tượng về các quan sát hành tinh.
Anh ấy biết về tác phẩm "Bí mật của vũ trụ". Nhưng khi vào năm 1600, người sáng tạo ra nó đến Đài quan sát Tycho, nằm bên ngoài thành phố Praha, Brahe, người đang tham gia nghiên cứu độ chính xác cao (vào thời điểm đó), đã chào đón ông với tư cách là tác giả của một tác phẩm cụ thể, nhưng không phải với tư cách đồng nghiệp của ông.. Cuộc đối đầu giữa họ tiếp tục cho đến khi nhà chiêm tinh Đan Mạch qua đời một năm sau đó. Sau sự ra đi của đối thủ đến một thế giới khác, Kepler được giao nhiệm vụ canh giữ kho tàng quan sát của mình. Chúng đã giúp nhà nghiên cứu trở thành người khám phá ra quy luật chuyển động rất nhiều.hành tinh xung quanh mặt trời.
Con đường của Sao Hỏa
Nghiên cứu mới nhất của Brage để tạo ra một bảng chuyển động của các hành tinh vẫn chưa được hoàn thành. Tất cả hy vọng đã được đặt vào một người kế nhiệm. Ông được bổ nhiệm làm nhà toán học đế quốc. Bất chấp mối quan hệ căng thẳng với một đồng nghiệp đã qua đời, Kepler vẫn tự do theo đuổi sở thích của mình trong lĩnh vực thiên văn học. Anh quyết định tiếp tục quan sát sao Hỏa và mô tả tầm nhìn của mình về quỹ đạo của hành tinh này.
Johann chắc chắn rằng: bằng cách mở ra con đường phức tạp của Sao Hỏa, có thể tiết lộ đường di chuyển của tất cả các "kẻ lang thang trong Vũ trụ" khác. Trái với suy nghĩ của nhiều người, ông không chỉ sử dụng những quan sát của Brahe để chọn một hình hình học phù hợp với mô tả. Nhà thần học ngày hôm qua đã hướng nỗ lực của mình vào việc khám phá ra một lý thuyết vật lý về chuyển động của "các chị em sống trong không gian không có không khí", từ đó có thể suy ra quỹ đạo của chúng. Sau một công trình nghiên cứu về Titanic, ba định luật chuyển động của hành tinh đã xuất hiện.
Luật thứ nhất
Tôi. Quỹ đạo của các hành tinh là hình elip với Mặt trời ở một trong những tiêu điểm.
Quy luật chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời thiết lập rằng các hành tinh chuyển động theo hình elip. Nó xuất hiện sau tám năm tính toán sử dụng cơ sở dữ liệu do Tycho Brahe biên soạn dựa trên những quan sát về chuyển động của hành tinh Sao Hỏa. Johann gọi công việc của mình là "Thiên văn học mới".
Vì vậy, theo Định luật đầu tiên của Kepler, bất kỳ hình elip nào cũng có hai điểm hình học được gọi là foci (tiêu điểm trong số ít). Tổng khoảng cách từ hành tinh đến mỗi tâm luôn được tính bằng tổnggiống nhau bất kể hành tinh đang ở đâu trên đường chuyển động của nó. Tầm quan trọng của khám phá này là giả định rằng các quỹ đạo không phải là những vòng tròn hoàn hảo (như trong lý thuyết địa tâm) đã đưa mọi người đến gần hơn với sự hiểu biết chính xác và rõ ràng hơn về bức tranh của thế giới.
Luật thứ hai
II. Đường nối hành tinh với Mặt trời (vectơ bán kính) bao gồm các diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau trong khi hành tinh chuyển động quanh hình elip.
Có nghĩa là, trong bất kỳ khoảng thời gian nào, chẳng hạn như sau 30 ngày, hành tinh vượt qua cùng một khu vực, bất kể bạn chọn khoảng thời gian nào. Nó di chuyển nhanh hơn khi đến gần Mặt trời và chậm hơn khi di chuyển ra xa, nhưng nó chuyển động với tốc độ thay đổi liên tục khi di chuyển quanh quỹ đạo của nó. Chuyển động “nhanh nhẹn” nhất được quan sát thấy ở điểm cận nhật (điểm gần Mặt trời nhất) và “mạnh mẽ” nhất ở điểm cận nhật (điểm xa Mặt trời nhất). Vì vậy, lý do là người đã khám phá ra quy luật chuyển động của hành tinh.
Luật thứ ba
III. Bình phương của tổng chu kỳ thời gian quỹ đạo (T) tỷ lệ với lập phương của khoảng cách trung bình từ hành tinh đến Mặt trời (R).
Nguyên tắc này đôi khi được gọi là quy luật của sự hài hòa. Nó so sánh khoảng thời gian quỹ đạo và bán kính quỹ đạo của các hành tinh. Bản chất của khám phá Kepler là như sau: tỷ lệ bình phương của các chu kỳ chuyển động và hình khối của khoảng cách trung bình từ Mặt trời là như nhau đối với mỗi hành tinh.
Để nhắc lại, định luật Kepler về chuyển động của hành tinh dựa trên những quan sát nghiêm túc trong thời gian dài vàđược xử lý theo phương pháp toán học. Hiển thị các quy luật, chúng không tiết lộ tính điều kiện của hiện tượng. Sau đó, người phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn, Newton, đã chứng minh rằng câu trả lời nằm ở đặc tính vật lý của các vật thể là hút nhau.
Bóng em đây rồi
Bất chấp thành công của mình, Kepler liên tục gặp phải những rắc rối về tài chính, thiếu thời gian nghiên cứu, di chuyển để tìm kiếm những nơi có niềm tin tôn giáo của mình. Nhiều lần anh ấy đã cố gắng để có được một vị trí giảng dạy ở Tübingen, nhưng bị coi là một kẻ phản bội, một người theo đạo Tin lành và đã bị từ chối.
Johannes Kepler qua đời vào ngày 15 tháng 11 năm 1630 do một cơn sốt cấp tính. Ông được chôn cất trong một nghĩa trang Tin lành. Trong văn bia, người con trai hợp pháp của ông viết: “Tôi đã dùng ông trời để đo lường. Bây giờ tôi phải đo bóng của Trái đất. Dù linh hồn tôi ở trên thiên đàng, bóng hình của thể xác tôi vẫn nằm ở đây.”
Đúng, ban đầu, theo tinh thần của các khái niệm thời Trung cổ, nhà khoa học tin rằng các hành tinh chuyển động bởi vì chúng có linh hồn, đây là phép thuật sống, chứ không chỉ là những cục vật chất. Sau đó, ông nhận ra rằng cách tiếp cận khoa học hợp lý hơn. Vâng, vị linh mục và nhà thiên văn học, người đã khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh, đã thành thật bước đi trên con đường sáng suốt. Nhưng chúng ta hãy thừa nhận điều đó với bản thân: đôi khi dường như có quá nhiều điều huyền bí trong Vũ trụ khoa học xuyên suốt!
