27 декабря 2021 г. мировая научная общественность отметила 450-летие со дня рождения выдающегося немецкого ученого Иоганна Кеплера (1571-1630). Философ, математик, механик, астроном и оптик, он сделал целый ряд великих открытий. Но наиболее известны из них, конечно, законы движения планет, ныне известные как законы Кеплера.
Ученый родился в Вайль-дер-Штадте, пригороде Штутгарта (Баден-Вюртемберг), в бедной протестантской семье. С самого детства Иоганн проявлял интерес к математике и астрономии, поражая окружающих своими способностями.
Своими увлечениями юный Кеплер был обязан прежде всего матери – именно она однажды показала мальчику комету и лунное затмение (1580 г.). После окончания протестантской школы и духовной семинарии первой и второй степени (1588) он учился в Тюбингенской академии (1589-1593). Там он впервые услышал об идеях Николая Коперника и сразу стал сторонником его гелиоцентрической системы, хотя тогда астрономию преподавали, основываясь на геоцентрической системе Птолемея. "Юный Кеплер, – говорили профессора, – наделен таким выдающимся умом, что от него можно ожидать незаурядных достижений". Через два года он прошел курс факультета свободных искусств, на котором тогда преподавали математику и астрономию, получив степень магистра. Однако юноша не думал заниматься наукой и продолжил образование на богословском факультете, на который поступил в 1591 году. За особые способности своего ученика университетский сенат выступил с ходатайством о сохранении Кеплеру стипендии на весь срок обучения.
Впрочем, духовную карьеру Кеплеру сделать не суждено. 13 марта 1594 г. его как лучшего выпускника направили в австрийский город Грац преподавать математику. Во время одного из уроков, когда Кеплер объяснял движение Юпитера и Сатурна по небесной сфере, у него возникло мнение, что соотношение между параметрами планетных орбит определяются свойствами определенных геометрических объектов. Идея его увлекла. Результатом дальнейших рассуждений молодого ученого стало первое крупное произведение "Тайна Вселенной" (1596), в котором он пытался установить числовую зависимость между расстояниями планет от Солнца и размерами правильных многогранников. Этот его труд стал известен профессору математики Падуанского университета Галилео Галилею и первому астроному Европы Тихо Браге.
И. Кеплер – первым в мире! – пришел к выводу, что все планеты подвергаются силовому воздействию со стороны Солнца, которое заставляет их двигаться по орбитам. Хотя идея не соответствует принципам ньютоновской динамики (планеты движутся по инерции, а солнечное тяготение только искажает их пути), она натолкнула Кеплера на очень важный вывод, что планеты должны двигаться тем быстрее, чем они ближе к Солнцу.
В 1600 г. из-за религиозных преследований со стороны католиков он переехал в Прагу. Пригласил его Тихо Браге для проработки архива наблюдений и составления на его основе таблиц планетных движений, которые было предложено назвать в честь императора Священной Римской империи и короля Богемии Рудольфовыми. Но в 1601году Тихо Браге неожиданно умер. И. Кеплер получил материалы его многолетних высокоточных наблюдений, в частности, относительно движения Марса. Они легли в основу кеплеровской теории планетных движений и, наконец, увековечили имя своего создателя. А еще он стал придворным математиком кайзера Рудольфа II, при котором, кстати, дослужился до главного астрологического советника.
Кеплер прожил в Праге 11 лет – самых спокойных в его жизни и наиболее плодотворных. Среди работ, изданных в Праге, – трактат по оптике "Дополнение к Вителлию" (1604) о применении оптики к астрономии, в котором рассмотрел астрономическую рефракцию и указал на сияние, появляющееся вокруг Солнца во время полного солнечного затмения – солнечную корону, а также впервые представил закон убывания освещенности (обратно пропорционально квадрату расстояния от источника). В другом трактате, "Диоптрики" (1611), Кеплер описал изобретенный им телескоп, так называемую "зрительную трубу Кеплера" (ее в 1613 г. построил Кристоф Шайнер). Следует отметить, что практически все последующие телескопы-рефракторы строились по системе Кеплера.
1609 г. обогатил историю науки еще одним Кеплеровским трактатом. Ученый опубликовал свою знаменитую "Новую астрономию", посвященную изучению движения Марса по наблюдениям Браге. Этот труд содержит первые два сформулированных им закона движения планет. В результате тщательного анализа Иоганн Кеплер пришел к выводу, что траектория движения Марса – это не круг, а эллипс, в фокусе которого находится Солнце – положение, ныне известное как первый закон Кеплера. Последующий анализ привел ученого к открытию второго закона: чем дальше планета находится от Солнца, тем медленнее она движется. Публикация этой книги принесла Кеплеру европейскую популярность.
В 1610 г. Кеплер начинает совместную работу с Галилео Галилеем и даже выдает свои собственные телескопические наблюдения за спутниками разных планет.
В 1604 г. учёный наблюдал на звездном небе новую яркую вечернюю звезду и при этом заметил вокруг нее туманность. Подобное можно наблюдать только раз в 800 лет! После столь уникального зрелища И. Кеплер проверяет астрономические свойства звезды и даже начинает изучение небесных сфер. Его вычисление параллакса в астрономии выводят его на первые позиции в этой науке и укрепляют его научную репутацию.
Из-за жизненных проблем и религиозных недоразумений в 1612 г. И. Кеплер переехал в Линц (Австрия), где получил должность математика с условием, что будет продолжать работу над таблицами планетных движений и будет заниматься местной картографией. Здесь в 1619 г. была написана его "Гармония Мира", в которой он дал формулировку третьего закона, объединявшего теорию движения всех планет в стройное целое – отношение куба расстояния планеты от Солнца к периоду вращения ее вокруг Солнца есть для всех планет величиной постоянной. Это позволило рассчитать скорость и период обращения планет вокруг Солнца. Кеплер вывел также "уравнение Кеплера", используемое в астрономии для определения положения небесных тел. В этом трактате ученый много внимания уделяет вопросам мировой гармонии, а также геометрии и философии.
Он считал мир реализацией некоторой числовой гармонии. В 1611 г. И. Кеплер опубликовал трактат "О шестиугольных снежинках", который стал началом исследований в области регулярных и нерегулярных структур (18-я проблема Гильберта, решение которой с помощью компьютерных вычислений было получено только в 1998 году) . В 1619 г. Кеплер издал труд "О кометах".
Работа И. Кеплера "Сокращение астрономии Коперника" (1622, в трех томах) содержит вывод, что первые два закона, установленные для Марса, относятся ко всем планетам и к движению Луны вокруг Земли, а третий закон прилагается и к четырем спутникам Юпитера. В ней была подробно представлена астрономия Коперника. Здесь ученый изложил теорию и способы предсказания солнечных и лунных затмений. Этот свой труд И. Кеплер включил в описание своих открытий в астрономии.
В Линке ученый работал более 14 лет.
Последние годы жизни Иоганн Кеплер прожил в бедности. Тридцатилетняя война и усиление преследований протестантов заставили его искать убежища в Ульме. Там в 1627 г. он закончил последний свой большой труд "Рудольфовые таблицы", что подводило итоги его многолетней работы по обработке наблюдений Браге. Таблицы позволяли в удобной форме вычислять положение планет с высокой для той эпохи точностью для любого момента времени. Эфемериды, вычисленные Кеплером на основании этих таблиц, позволили ему предусмотреть прохождение Венеры по диску Солнца, состоявшемуся в 1631 г.
При жизни Й. Кеплер, чтобы заработать немного денег, подрабатывал сложением гороскопов. В 1628 г. он стал астрологом у полководца герцога Альбрехта Валленштейна и до 1630 г. жил в городке Загане (ныне – Жагань, Польша). В августе 1630 г. Валленштейн был отстранен от своего поста, так и не выплатив Кеплеру обещанного жалованья.
Иоганн Кеплер умер 15 ноября 1630 года на 59-м году жизни в Регенсбурге, простудившись в дороге, которой отправился с надеждой вернуть хотя бы часть заработанных денег. Это произошло именно перед тем, когда он должен был наблюдать за прохождением Меркурия и Венеры, которого ожидал с большим нетерпением.
Последнее произведение Кеплера – фантастический роман "Сон" было издано уже после его смерти в 1634 г. В нем говорится о путешествии на Луну. Вероятно, это было первое научно-фантастическое произведение в мировой литературе...
Кеплер опубликовал многие книги и статьи. Его замечательные математические способности проявились не только в астрономических работах, но и при определении объемов тел ("Новая стереометрия винных бочек", 1615). С этой целью он использовал элементы интегрального исчисления. Это были первые шаги для анализа бесконечно малых и изобретения математического анализа. Применяя оригинальные способы, он нашел объемы многих вращающихся тел. Сразу после открытия логарифмов Кеплер сформулировал детальную теорию их использования для вычислений (1614) и составил таблицы логарифмов, по структуре похожие на современные (1624). Он вошел и в историю проективной геометрии, ведь в первый раз ввел важнейшее понятие нескончаемо отдаленной точки.
В физике И. Кеплер применил термин "инерция" как природное свойство тел оказывать сопротивление приложенной силе. Он размышлял о силе тяжести, действующей между небесными телами, и объяснил приливы и отливы земных океанов влиянием Луны. Ученый говорил: "Гравитацию я определяю как силу, подобную магнетизму – взаимному тяготению. Сила тяжести тем больше, чем оба тела ближе друг к другу".
Вся его жизнь была посвящена обоснованию и развитию гелиоцентрического учения Коперника. Законы Кеплера стали основой теоретической астрономии и получили объяснения в механике И. Ньютона, в частности, в законе всемирного тяготения.
И наконец, кеплеровская идея объяснения свойств мироздания на основе фундаментальных геометрических симметрий возродилась в современной физике элементарных частиц.
Трудно представить, что чрезвычайно важное научное наследие принадлежит только одному человеку, который жил и творил почти пол тысячи лет назад.
В честь памяти об И. Кеплере его именем назван университет в Линце, кратеры на Луне и Марсе, астероид 1134 г., описанную им сверхновую звезду SN 1604 (Надновая Кеплера).
Символично, что в его честь был назван космический телескоп, запущенный NASA 6 марта 2009 г. для поиска и исследования планет вне Солнечной системы. Кеплер продолжил исследование космических глубин и в ХХІ веке!
Жизнь и деятельность ученого исследовали в ХХ ст. К. Л. Баев ("Создатели новой астрономии. Коперник. Бруно. Кеплер. Галилей", 1955), О. П. Мороз ("Прекрасная ли истина?", 1989), В. Е. Белоручкин (" Кеплер, Ньютон и всё-всё-всё...", 1990) и другие. В 1972 г. Ю. M. Медведев написал и издал историческую повесть "Капитан звездного океана. Кеплер". Эти книги представлены в фондах научно-технической библиотеки им. Г.И.Денисенка КПИ.
Посреди остальных в её фондах сохраняются и работы Кеплера. Это"Новая стереометрия винных бочек" (перевод Г. М. Свешникова, 1935 г.) и "О шестиугольных снежинках" (издана АН СССР, 1982 г.). Так что исследования Кеплера доступны и для наших современников и будущих поколений ученых.