75. ИОГАНН КЕПЛЕР (1571–1630)
Иоганн Кеплер, ученый, открывший законы планетарного движения, родился в 1571 году в городе Вайль в Германии. Тогда прошло всего лишь двадцать восемь лет после публикации «Об обращении небесных тел», великой книги, в которой Коперник выдвинул теорию вращения планет вокруг Солнца, а не Земли. Кеплер учился в университете в городе Тюбинген, получил степень бакалавра, а три года спустя — степень магистра. Большинство ученых того времени отказывались принимать гелиоцентрическую систему Коперника. В Тюбингене Кеплер услышал логически изложенную гелиоцентрическую теорию и вскоре поверил в нее.
Покинув Тюбинген, он несколько лет преподавал как профессор в академии города Грац. Там он написал свою первую работу по астрономии (1596). Хотя теория, выдвинутая Кеплером в этой книге, оказалась совершенно неправильной, работа так явно выявила математические способности и оригинальность мышления автора, что великий астроном Тихо Браге пригласил его стать своим ассистентом в обсерватории под Прагой. Кеплер принял предложение и в январе 1600 года присоединился к Тихо. Браге умер на следующий год, но Кеплер за месяцы совместной с астрономом работы произвел такое хорошее впечатление, что император Рудольф II назначил его преемником Тихо, придворным математиком. Кеплер занимал этот пост всю оставшуюся жизнь. Как преемник Тихо Браге, он унаследовал огромное количество записей тщательных наблюдений за планетами, сделанных астрономом за многие годы. Поскольку Тихо был последним великим астрономом перед изобретением телескопа, а также самым аккуратным наблюдателем, каких видел мир, эти записи не имели цены. Кеплер верил, что тщательный математический анализ записей Тихо позволит ему окончательно заключить, какая теория планетарного движения верна: гелиоцентрическая система Коперника, более старая геоцентрическая теория Птолемея или, возможно, третья теория, разработанная самим Тихо. Однако после нескольких лет мучительных расчетов к своему смущению Кеплер обнаружил, что наблюдения Тихо не соответствуют ни одной из этих теорий! В конце концов он понял, в чем заключалась проблема: как Тихо Браге, как Коперник и как все классические астрономы, Кеплер предполагал, что планетарные орбиты состоят из кругов или комбинаций кругов. А на самом деле они не круглые, а скорее эллиптические.
Даже после нахождения этого базового решения Кеплер вынужден был провести много месяцев в сложных и утомительых расчетах, чтобы убедиться, что его теория соответствует наблюдениям Тихо. Его великая книга «Новая астрономия», изданная в 1609 году, содержала два первых закона планетарного движения. Первый закон утверждает, что каждая планета движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с Солнцем в центре. Второй закон утверждает, что планета движется тем быстрее, чем ближе она находится к Солнцу. Скорость планеты меняется таким образом, что линия, соединяющая планету и Солнце, охватывает одинаковые площади за одинаковые периоды времени. Десять лет спустя Кеплер опубликовал третий закон: чем больше расстояние от планеты до Солнца, тем дольше длится ее полный оборот, и квадрат периода вращения пропорционален кубу расстояния от Солнца.
Законы Кеплера, обеспечив в основном полное и правильное описание движения планет вокруг Солнца, решили одну из основных проблем астрономии, которая поставила в тупик даже таких гениев, как Коперник и Галилей. Конечно, Кеплер не объяснил, почему планеты движутся по таким орбитам. Эту задачу позже решил Исаак Ньютон. Но законы Кеплера были фактической прелюдией к великому синтезу Ньютона. («Если я вижу дальше других людей, — сказал однажды Ньютон, — это потому, что я стою на плечах гигантов». Несомненно, Кеплер был одним из этих гигантов.)
Вклад Кеплера в астрономию почти сравним с вкладом Коперника. В самом деле, в некотором смысле достижения Кеплера даже более впечатляющие. Он был более оригинален и столкнулся с огромными математическими трудностями. Математическая техника тогда была развита совсем не так, как сегодня, и не существовало вычислительных машин, чтобы облегчить ученому решение задачи. При рассмотрении важности достижений Кеплера удивительно, что результаты его трудов сначала были почти проигнорированы даже таким великим ученым, как Галилей. (Пренебрежение Галилея тем более странно, что эти ученые переписывались друг с другом, и результаты трудов Кеплера помогли бы Галилею опровергнуть теорию Птолемея.) Но если другие медлили при оценке его достижения, сам Кеплер понял все сразу. В момент торжества он написал: «Я испытываю божественное чувство… Моя книга закончена. Ее прочитают и мои современники, и будущие поколения — но не это меня волнует. Она может сотни лет прождать читателя, как Бог прождал 6000 лет, пока кто-то поймет его работу». Постепенно на протяжении нескольких десятилетий значение законов Кеплера стало очевидным научному миру. Фактически в конце века главным аргументом в пользу теорий Ньютона являлось то, что из них можно было вывести законы Кеплера. И наоборот, если взять ньютоновские законы движения, можно точно вывести законы гравитации Ньютона из законов Кеплера. Однако для этого потребовалась бы более совершенная математическая техника, чем в те времена. Но даже без такой техники Кеплер оказался достаточно проницательным, чтобы предположить, что планетарные движения контролируются силами, исходящими от Солнца. Впридачу к своим законам планетарного движения ученый внес еще несколько добавлений в астрономию и в теорию оптики.
Последние годы его жизни, к сожалению, были омрачены личными проблемами. Германия погрузилась в хаос Тридцатилетней войны, и редкий человек мог тогда избежать серьезных трудностей. Главной проблемой Кеплера было его жалованье. Императоры неохотно платили даже в относительно хорошие времена. В хаосе войны Кеплеру задолжали большую сумму. Поскольку он был дважды женат и имел двенадцать детей, такие финансовые трудности были действительно серьезными. Другая проблема касалась его матери, которую в 1620 году арестовали как ведьму. Кеплер потратил много времени и усилий, стараясь уберечь ее от пыток и освободить. В конце концов это ему удалось.
Умер Кеплер в 1630 году в Регенсбурге, Бавария. В суматохе Тридцатилетней войны его могилу вскоре разрушили. Но законы планетарного движения обеспечили ему более долговечный памятник, чем любой каменный.
