Иоганн Кеплер «Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках»
Трудно поверить, что это название серьёзного научного сочинения. Но именно так называется один из научных трудов Иоганна Кеплера — основателя новой астрономии (Johannes Kepler, 27 декабря 1571 года — 15 ноября 1630 года). И эта работе не была ни мистификацией, ни шуткой — работы Кеплера в области симметрии нашли свое применение через несколько веков — в кристаллографии и теории кодирования.
Вообще, вся история жизни и открытий Иоганна Кеплера больше похожа на средневековый мистический роман.
Мать Иоганна Кеплера Катарина была травницей, целительницей и гадалкой (была ли она на самом деле колдунье, история умалчивает). Но по тем временам целительство было не самым безопасным занятием — тётку, у которой воспитывалась Катарина, сожгли на костре. Спустя годы, когда Кеплер был уже взрослым, его мать по обвинению в колдовстве заключили в тюрьму. По свидетельству современников, стало для Кеплера тяжелым испытанием — он выступал её защитником в суде и в итоге добился её освобождения.
Слабое здоровье не помешало Иоганну с детства проявлять интерес к астрономии — яркая комета, когда-то показанная матерью, стала путеводной звездою его жизни (звучит не слишком правдоподобно, но такова легенда).
Слишком хилый для работы в поле Иоганн посвятил все силы учебе и в 1589 году, после окончания школы (откуда взялись деньги на школу у бедной семьи также остается загадкой) но, так или иначе, юноша поступил в Тюбингенскую духовную семинарию при Тюбингенском университете. После окончания семинарии Кеплер, изначально планировавший стать протестантским священником, принял предложенный ему пост профессора математики и астрономии в Протестантской школе Граца в 1594 году. Почему? Трудно сказать — где-то написано, что его выбор был добровольным, а где-то, что обвинённый в свободомыслии, он не был допущен к богословской карьере, а направлен преподавать в Грац.
Но в любом случае Кеплер, работая в Граце, не забывал астрономию.
Там Кеплеру, по его собственным словам, «явилось видение» космического плана строения 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 году он написал свою первую, и, пожалуй, самую спорную из своих работ по астрономии «Тайна Вселенной» — «Mysterium Cosmographicum».
В ней Кеплер писал, что Бог, размещая планеты вокруг Солнца, исходил из идеи пяти платоновских твердых тел — правильной пирамиды, куба и аналогичных полиэдров — с восемью, двенадцатью и двадцатью гранями — причудливая смесь христианских взглядов, мистики и научного подхода.
«Кубок Кеплера»: модель Солнечной системы из пяти платоновых тел, источник
Книгу «Тайна мира» Кеплер послал Галилео Галилею и Тихо Браге. Галилей одобрил гелиоцентрический подход Кеплера, но мистическую нумерологию не поддержал. В дальнейшем они вели оживлённую переписку, и этот факт — общение с «еретиком»-протестантом — на суде над Галилеем было упомянуто как обстоятельство, отягчающее вину Галилея.
Тихо Браге, служивший у чешского императора Рудольфа II придворным астрономом и астрологом (в те времена мало кто делал различие между астрономией и астрологией), также отверг мистические построения Кеплера, однако высоко оценил его знания, оригинальность мысли и пригласил Кеплера к себе в Прагу. Обвиненному католиками в ереси Кеплеру приглашение Браге пришлось весьма кстати — 1 января 1600 года Кеплер уехал из Граца к Тихо Браге.
Тихо Браге поручил Кеплеру рассчитать на основе результатов наблюдений, полученных в Ураниборге, систему окружностей, по которым, как предполагал Браге, планеты движутся вокруг Солнца.
Кеплер проработал под началом Тихо Браге чуть меньше года — до самой его смерти и унаследовал не только его должность, но и астрономические записи.
Результатом совместной работы двух ученых стали выдающиеся труды «Астрономия с точки зрения оптики», «Рудольфовы таблицы» и «Прусские таблицы» (опубликованные Кеплером уже после смерти Тихо).
В 1605 году Кеплер опубликовал свои наблюдения сверхновой — «De Stella Nova in Pede Serpentarii», которую впоследствии назвали его именем.
Новая звезда, появившаяся на небе осенью 1604 года, была замечена в Европе 9 октября, а день спустя — в Китае; первые упоминания ее в корейских источниках относятся к 13 октября. Сверхновая, которая оставалась видимой на протяжении года, интенсивно наблюдалась европейскими астрономами, в том числе — Иоганном Кеплером; ее часто называют сверхновой Кеплера.
Но как мы помним из школьного курса физики, знаменит Иоган Кеплер не наблюдениями сверхновой, а тремя законами движения планет, названных его именем.
На протяжении нескольких лет он внимательно изучал данные Браге и в результате тщательного анализа пришел к выводу, что траектория движения Марса представляет собой не круг, а эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце — по сути, это и есть первый закон Кеплера.
Дальнейший анализ привёл ко второму закону: радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, в равное время описывает равные площади. Это означало, что чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется. Оба закона были сформулированы им в 1609 году в книге «Новая астрономия» — «Astronomia Nova», (1609), причём осторожности ради, чтоб не вступать в прямой конфликт с церковью, он отнес их только к Марсу.
Публикация «Новой астрономии» и изобретение телескопа ознаменовали наступление новой эры в астрономии.
Третий закон Кеплера, который гласит, что отношение куба среднего удаления планеты от Солнца к квадрату периода обращения её вокруг Солнца есть величина постоянная для всех планет — a³/T² = const — будет открыт позднее. (Более привычная нам формулировка — квадраты периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит). Третий закон Кеплер публикует в завершающей книге "Гармония мира" — «De Harmonice Mundi», 1619, применяет его уже не только к Марсу, но и ко всем прочим планетам, включая Землю, а также к галилеевым спутникам.
Летом 1627 года Кеплер опубликовал (есть данные, что за свой счёт) результат своих многолетних трудов — астрономические таблицы, которые назвал в честь императора назвал «Рудольфовыми». Спрос на них был огромен, так как все прежние таблицы сильно расходились с наблюдениями. Ещё труд Кеплера впервые включал в себя удобные для расчётов таблицы логарифмов. Кеплеровы таблицы служили астрономам и морякам вплоть до начала XIX века.
Но упорный труд на ниве науки при жизни не принес Кеплеру ни славы, ни богатства — по свидетельствам современников после смерти ученого от простуды 1630 году его наследникам досталось: поношенная одежда, 22 флорина наличными, 29 000 флоринов невыплаченного жалованья, 27 опубликованных рукописей и множество неопубликованных.
Подробнее о научных результатах Кеплера в астрономии, математике, разных областях физики можно прочесть, например, здесь.
В заключение заметим, что хотя Иоган Кеплер и был не чужд мистики, но в первую очередь он был учёным, о чём прямо свидетельствуют его собственные слова: "Прежде, чем примириться с мыслью о чуде, надо попытаться применить любое другое объяснение; ведь с того момента как мы для объяснения прибегаем к идее сотворения, прекращается всякое научное объяснение."
PS. Самая первая, переведенная на русский язык книга Кеплера называлась не менее оригинально, чем трактат о снежинках — «Новая стереометрия винных бочек». Кеплер, Иоганн — М.-Л.: ГТТИ, 1935. Целых 360 страниц :)
PPS. А ещё через 4 года после смерти Иоганна Кеплера, в 1634 году был издан его фантастический рассказ о полёте в Космос «Somnium»- «Мечта».