stringtranslate.com

Астрономия новая

Astronomia nova ( англ . New Astronomy , полное название на оригинальной латыни : Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ seu physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex Observeibus GV Tychonis Brahe ) [1] [2] — книга, опубликованная в 1609 году и содержащаядесятилетнего исследования движения Марса астрономом Иоганном Кеплером .

Одна из самых значительных книг в истории астрономии , Astronomia nova, представила веские аргументы в пользу гелиоцентризма и внесла ценный вклад в понимание движения планет. Это включало первое упоминание об эллиптических траекториях планет и изменении их движения на движение свободно плавающих тел в отличие от объектов на вращающихся сферах. Она признана одним из самых важных трудов Научной революции . [ 3]

Фон

До Кеплера Николай Коперник в 1543 году предположил, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Модель Солнечной системы Коперника рассматривалась как устройство для объяснения наблюдаемых положений планет, а не как физическое описание. [ необходима цитата ]

Кеплер искал и предлагал физические причины движения планет. Его работа в первую очередь основана на исследованиях его наставника Тихо Браге . У этих двоих, хотя и близких в работе, были бурные отношения. Несмотря на это, в 1601 году на смертном одре Браге попросил Кеплера убедиться, что он не « умер напрасно », и продолжить разработку его модели Солнечной системы . Вместо этого Кеплер написал Astronomia nova , в которой он отвергает систему Тихо, а также систему Птолемея и систему Коперника . Некоторые ученые предполагают, что неприязнь Кеплера к Браге могла повлиять на его отказ от системы Тихо и формирование новой. [4]

К 1602 году Кеплер приступил к работе по определению орбитальной модели Марса, информируя Давида Фабрициуса о своих успехах. Он предположил возможность овальной орбиты Фабрициусу в начале 1604 года, хотя ему не поверили. Позже в том же году Кеплер ответил ему своим открытием эллиптической орбиты Марса. Рукопись для Astronomia nova была завершена к сентябрю 1607 года и была напечатана к августу 1609 года. [5]

Структура и резюме

Схемы трех моделей движения планет до Кеплера

На английском языке полное название его работы — « Новая астрономия, основанная на причинах, или небесная физика, обработанная с помощью комментариев о движениях звезды Марс, из наблюдений Тихо Браге, Гент» . На протяжении более 650 страниц (в английском переводе) Кеплер шаг за шагом проводит своих читателей через процесс своего открытия.

Обсуждение Священного Писания во введении к Astronomia nova было наиболее широко распространенным произведением Кеплера в семнадцатом веке. [6] Во введении излагаются четыре шага, которые Кеплер предпринял в ходе своих исследований.

В самом начале Astronomia nova Кеплер демонстрирует, что системы Тихона, Птолемея и Коперника неразличимы на основе одних только наблюдений. Три модели предсказывают одни и те же положения планет в ближайшем будущем, хотя они расходятся с историческими наблюдениями и не способны предсказывать будущие положения планет на небольшую, хотя и абсолютно измеримую величину. Здесь Кеплер представляет свою знаменитую схему движения Марса относительно Земли, если бы Земля оставалась неподвижной в центре своей орбиты. Схема показывает, что орбита Марса была бы совершенно несовершенной и никогда не следовала бы по одному и тому же пути.

Кеплер подробно обсуждает всю свою работу на протяжении всей книги. Он обращается к этой пространности в шестнадцатой главе:

Если тебе наскучил этот утомительный метод расчета, пожалей меня, которому пришлось повторить его по меньшей мере семьдесят раз, что стоило ему очень большой потери времени. [7]

Кеплер, на очень важном этапе, также подвергает сомнению предположение о том, что планеты движутся вокруг некоторой точки своей орбиты с равномерной скоростью. Он обнаруживает, что вычисление критических измерений, основанных на фактическом положении Солнца на небе, а не на «среднем» положении Солнца , вносит значительную степень неопределенности в модели, открывая путь для дальнейших исследований. Идея о том, что планеты движутся не с равномерной скоростью, а со скоростью, которая меняется в зависимости от их расстояния от Солнца, была совершенно революционной и стала его вторым законом (открытым до его первого). Кеплер, в своих вычислениях, приведших к его второму закону, допустил несколько математических ошибок, которые, к счастью, компенсировали друг друга «как будто чудом». [7]

Учитывая этот второй закон, он выдвигает в Главе 33, что Солнце является двигателем, который движет планеты. Чтобы описать движение планет, он утверждает, что Солнце испускает физический вид, аналогичный свету, который оно также испускает, который толкает планеты вперед. Он также предполагает вторую силу внутри каждой планеты, которая тянет ее к Солнцу, чтобы не дать ей улететь по спирали в космос.

Затем Кеплер пытается найти истинную форму планетарных орбит, которую он определяет как эллиптическую. Его первоначальная попытка определить орбиту Марса как окружность была отклонена всего на восемь угловых минут , но этого было достаточно, чтобы он посвятил шесть лет устранению несоответствия. Данные, казалось, давали симметричную овальную кривую внутри его предсказанной окружности. Сначала он проверил форму яйца, затем разработал теорию орбиты, которая колеблется по диаметру, и вернулся к яйцу. Наконец, в начале 1605 года он геометрически проверил эллипс, который он ранее считал слишком простым решением для более ранних астрономов, чтобы его пропустить. [8] По иронии судьбы, он уже вывел это решение тригонометрически за много месяцев до этого. [9] Как он говорит,

Я отложил [исходное уравнение] в сторону и вернулся к эллипсам, полагая, что это совсем другая гипотеза, тогда как эти две, как я докажу в следующей главе, являются одним и тем же ... Ах, какой же глупой птицей я был! [10]

Законы Кеплера

В журнале Astronomia nova зафиксировано открытие первых двух из трех принципов, известных сегодня как законы Кеплера о движении планет , а именно:

  1. Планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце . [11]
  2. Скорость планеты меняется в каждый момент времени таким образом, что время между двумя положениями всегда пропорционально площади, охватываемой орбитой между этими положениями. [12]

Кеплер открыл «второй закон» раньше первого. Он представил свой второй закон в двух разных формах: в главе 32 он утверждает, что скорость планеты обратно пропорциональна ее расстоянию от Солнца, и поэтому он мог измерить изменения положения планеты, суммируя все меры расстояния или глядя на площадь вдоль дуги орбиты. Это его так называемый «закон расстояния». В главе 59 он утверждает, что радиус от Солнца до планеты заметает равные площади за равное время. Это его так называемый «закон площадей».

Однако «принцип площади-времени» Кеплера не способствовал простому расчету планетарных положений. Кеплер мог разделить орбиту на произвольное количество частей, вычислить положение планеты для каждой из них, а затем отнести все вопросы к таблице, но он не мог определить положение планеты в каждый отдельный момент, поскольку скорость планеты всегда менялась. Этот парадокс, называемый «проблемой Кеплера », побудил к развитию исчисления .

Спустя десятилетие после публикации Astronomia nova Кеплер открыл свой «третий закон», опубликованный в его труде 1619 года Harmonices Mundi ( «Гармонии мира »). [13] Он обнаружил, что отношение куба длины большой полуоси орбиты каждой планеты к квадрату времени ее орбитального периода одинаково для всех планет.

Знания Кеплера о гравитации

В своем вводном обсуждении движущейся Земли Кеплер рассмотрел вопрос о том, как Земля могла бы удерживать свои части вместе, если бы она двигалась от центра Вселенной, который, согласно физике Аристотеля , был местом, к которому естественным образом движутся все тяжелые тела. Кеплер предложил силу притяжения, похожую на магнетизм , которая, возможно, была известна Ньютону.

Гравитация — это взаимное телесное расположение родственных тел к объединению или сближению; так, земля притягивает камень гораздо сильнее, чем камень стремится к земле. (Магнитная способность — еще один пример такого рода)... Если бы два камня были помещены рядом друг с другом в каком-то месте мира за пределами сферы влияния третьего родственного тела, то эти камни, как два магнитных тела, сошлись бы в промежуточном месте, приближаясь друг к другу на расстояние, пропорциональное массе [ молям ] другого... Ибо отсюда следует, что если сила притяжения земли будет гораздо более вероятно распространяться на луну и далеко за ее пределы, и соответственно, что ничто, состоящее в какой-либо степени из земного материала, поднятого наверх, никогда не избежит хватки этой могущественной силы притяжения. [6]

Кеплер рассуждает о гравитационном воздействии Луны на приливы следующим образом: [14] [15]

Сфера притягательной силы, которая находится в луне, простирается до земли и увлекает воды; но поскольку луна быстро летит через зенит, а воды не могут следовать за ней так быстро, в жаркой зоне возникает течение океана по направлению к западу. Если притягательная сила луны простирается до земли, то отсюда с большим основанием следует, что притягательная сила земли простирается до луны и гораздо дальше; и, короче говоря, ничто, состоящее из земной субстанции, как-то составленной, хотя и подброшенной на какую-либо высоту, не может избежать мощного действия этой притягательной силы.

Кеплер также проясняет концепцию легкости в терминах относительной плотности, в противовес аристотелевской концепции абсолютной природы или качества легкости следующим образом. Его аргумент можно было бы легко применить сегодня к чему-то вроде полета воздушного шара.

Ничто из того, что состоит из телесной материи, не является абсолютно легким, но сравнительно легче то, что более разрежено, либо по своей собственной природе, либо из-за случайного тепла. И не следует думать, что легкие тела вырываются на поверхность вселенной, когда их несут вверх, или что их не притягивает земля. Они притягиваются, но в меньшей степени, и поэтому выталкиваются наружу тяжелыми телами; сделав это, они останавливаются и удерживаются землей на своем месте. [15]

Ссылаясь на рассуждения Кеплера о гравитации, Уолтер Уильям Брайант делает следующее утверждение в своей книге «Кеплер» (1920).

...Введение в "Комментарии о движении Марса" Кеплера, всегда считавшиеся его самой ценной работой, должно было быть известно Ньютону, так что для необходимого и достаточного объяснения происхождения его Теории всемирного тяготения не требовалось никакого инцидента вроде падения яблока. Взгляд Кеплера на такую ​​теорию мог быть не более чем взглядом, поскольку он не пошел дальше. Это кажется прискорбным, поскольку это гораздо менее фантастично, чем многие из его идей, хотя и не свободно от "добродетелей" и "животных способностей", которые соответствуют "духам и юморам" Гилберта. [15]

Кеплер считал, что это притяжение было взаимным и было пропорционально массе тел, но он считал, что оно имеет ограниченный диапазон, и он не рассматривал, могла ли эта сила меняться с расстоянием или как. Более того, это притяжение действовало только между «родственными телами» — телами схожей природы, природу, которую он четко не определил. [16] [17] Идея Кеплера существенно отличалась от более поздней концепции тяготения Ньютона, и ее можно «лучше рассматривать как эпизод в борьбе за гелиоцентризм , чем как шаг к Всемирному тяготению ». [18]

Кеплер послал Галилею книгу, когда последний работал над своим «Диалогом о двух главных мировых системах» (опубликованным в 1632 году, через два года после смерти Кеплера). Галилей пытался определить путь объекта, падающего из состояния покоя к центру Земли, но использовал в своих расчетах полукруглую орбиту. [19]

Поминовение

В 2009 году Международный год астрономии отмечал 400-летие публикации этой работы. [20]

Примечания

  1. ^ Греческое слово αἰτιολογητός можно перевести как «объяснённый, оправданный» (от αἰτιολογῶ «я объясняю, я оправдываю»), но оно также объединяет два корня αιτία «причина» и λόγος «разум». Озабоченность Кеплера причинами, как ясно показано в книге, указывает на то, что он подразумевал в названии нечто более конкретное, чем общее «обоснованный» или «объяснённый», поэтому название Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ можно понимать как «Новая астрономия, основанная на причинах» или «обоснованная из причин».
  2. ↑ Здесь GV — это обозначение «Generositas Vestra», см. Winiarczyk, Marek (1995). Sigla Latina in libris impressis evententia: приложение cum siglorum graecorum (2-е изд.). ОСЛК  168613439.
  3. ^ Voelkel, James R. (2001). Состав Astronomia nova Кеплера . Принстон: Princeton University Press . стр. 1. ISBN 0-691-00738-1.
  4. ^ Кестлер, Артур (1990) [1959]. Лунатики: История изменения видения человеком Вселенной. Лондон: Penguin Books . стр. 1. ISBN 0-14-019246-8.
  5. ^ Дрейер, Джон Луис Эмиль (1906). История планетных систем от Фалеса до Кеплера. Кембридж: University Press. С. 401–2.
  6. ^ ab Kepler, Johannes ; William H. Donahue (2004). Выдержки из Astronomia Nova Кеплера . Санта-Фе: Green Lion Press. стр. 1. ISBN 1-888009-28-4.
  7. ^ ab Koestler, Arthur (1990). Лунатики: история изменения видения человеком вселенной. Лондон: Penguin Books. стр. 325. ISBN 0-14-019246-8.
  8. ^ Каспар, Макс (1993). Кеплер ; перевод и ред. К. Дорис Хеллман ; с новым введением и ссылками Оуэна Джинджериха; библиографические ссылки Оуэна Джинджериха и Алена Сегонда. Нью-Йорк: Довер. стр. 133. ISBN 0-486-67605-6 
  9. ^ Джиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: эссе по истории научных идей. Princeton University Press. стр. 33–37. ISBN 0-691-02350-6.
  10. ^ Кестлер, Артур (1990). Лунатики: история изменения видения человеком вселенной. Лондон: Penguin Books. стр. 338. ISBN 0-14-019246-8.
  11. ^ В своей Astronomia nova Кеплер представил только доказательство того, что орбита Марса является эллиптической. Доказательства того, что орбиты других известных планет являются эллиптическими, были представлены позже. См.: Johannes Kepler, Astronomia nova … (1609), стр. 285. Отвергнув круговые и овальные орбиты, Кеплер пришел к выводу, что орбита Марса должна быть эллиптической. В начале страницы 285: «Ergo ellipsis est Planetæ iter; …» (Таким образом, эллипс — это путь планеты [т. е. Марса]; …) Далее на той же странице: «… ut sequenti capite patescet: ubi simul etiam demostrabitur, nullam Planetæ relinqui figuram Orbitæ, præterquam perfecte ellipticam; …» как будет показано в следующей главе: где также будет доказано, что необходимо отказаться от любой фигуры орбиты планеты, кроме идеального эллипса…) И затем: «Caput LIX. эллипс появляется как Protheorema XI на страницах 289-290.
    Кеплер утверждал, что все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце в: Johannes Kepler, Epitome Astronomiae Copernicanae [Краткое изложение коперниканской астрономии] (Линц ("Lentiis ad Danubium"), (Австрия): Johann Planck, 1622), книга 5, часть 1, III. De Figura Orbitæ (III. О фигуре [т. е. форме] орбит), страницы 658-665. Со стр. 658: "Ellipsin fieri orbitam planetæ … " (Из эллипса сделана орбита планеты … ). Со стр. 659: " … Sole (Foco altero huius ellipsis) … " ( … Солнце (другой фокус этого эллипса) … ).
  12. ^ В своей Astronomia nova … (1609) Кеплер не представил свой второй закон в его современной форме. Он сделал это только в своей Epitome 1621 года. Более того, в 1609 году он представил свой второй закон в двух различных формах, которые ученые называют «законом расстояния» и «законом площади».
    • Его «закон расстояния» представлен в: «Глава XXXII. Virtutem quam Planetam motion in circulum attenuari cum discessu a Fonte». (Глава 32. Сила, перемещающая планету по кругу, ослабевает по мере удаления от источника.) См.: Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), стр. 165-167. На странице 167 Кеплер утверждает: «…, quanto longior est αδ quam αε, tanto diutius moratur Planeta in certo aliquo arcui excentrici apud δ, quam in æquali arcu excentrici apud ε». (…, поскольку αδ длиннее αε, то планета будет оставаться на определенной дуге эксцентрика вблизи δ намного дольше, чем на равной дуге эксцентрика вблизи ε.) То есть, чем дальше планета от Солнца ( в точке α), тем медленнее она движется по своей орбите, так что радиус от Солнца до планеты проходит через равные площади за равное время. Однако, как представил его Кеплер, его аргумент верен только для окружностей, а не для эллипсов.
    • Его «закон площади» представлен в: «Caput LIX. Demonstratio, quod Orbita Martis,…, fiat perfecta ellipsis:…» (Глава 59. Доказательство того, что орбита Марса,…, представляет собой идеальный эллипс: …), Протеорема XIV и XV, стр. 291-295. На верхнем стр. 294, там написано: «Arcum ellipseos, cujus moras metitur area AKN, debere terminari в LK, ut sit AM». (Дуга эллипса, продолжительность которого ограничена [т.е. измерена] площадью AKM, должна заканчиваться в LK, так что она [т.е. дуга] равна AM.) Другими словами, время, которое Марс требуется для движения по дуге AM его эллиптической орбиты, измеряемой площадью сегмента AMN эллипса (где N - положение Солнца), которая в свою очередь пропорциональна сечению AKN окружности, описывающей эллипс и которая касается ее. Таким образом, площадь AMN, которая выметается радиусом от Солнца до Марса, когда Марс движется по дуге AM своей эллиптической орбиты, пропорциональна времени, которое требуется Марсу для движения по этой дуге. Таким образом радиус от Солнца до Марса заметает равные площади за равное время.
    В 1621 году Кеплер переформулировал свой второй закон для любой планеты: Иоганн Кеплер, Epitome Astronomiae Copernicanae [Краткое изложение астрономии Коперника] (Линц («Lentiis ad Danubium»), (Австрия): Иоганн Планк, 1622), книга 5, страница 668. Со страницы 668: «Dictum quidem est in superioribus, divisa orbita in particulas minutissimas æquales: accrescete iis moras planetæ per eas, in ratione intervallorum inter eas & Solem». (Выше было сказано, что если орбиту планеты разделить на наименьшие равные части, то время нахождения планеты в них увеличивается пропорционально расстоянию между ними и Солнцем.) То есть скорость планеты по ее орбите обратно пропорциональна ее расстоянию от Солнца. (Остальная часть абзаца ясно показывает, что Кеплер имел в виду то, что сейчас называется угловой скоростью.)
  13. ↑ Иоганн Кеплер, Harmonices Mundi [Гармония мира] (Линц, (Австрия): Иоганн Планк, 1619), стр. 189. С конца стр. 189: "Sed res est certissima exactissimaque quod proportio qua est inter binorum quorumcunque Planetarum tempora perioda, sit præcise sesquialtera ratiois mediarum distanceiarum, … " (Но абсолютно достоверно и точно, что пропорция между периодическими временами любых двух планет в точности равна полуторачасовой пропорции [т. е. отношению 3:2] их средних расстояний, … ")
    Английский перевод Harmonices Mundi Кеплера доступен как: Johannes Kepler с EJ Aiton, AM Duncan и JV Field , trans., The Harmony of the World (Филадельфия, Пенсильвания: Американское философское общество, 1997); см. особенно стр. 411.
  14. ↑ Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), стр. 5 Introductio in hoc opus (Введение к этой работе). Со страницы 5: «Orbis virtutistractiæ, quæ est in Luna, porrigitur utque ad Terras, & prolectat aquas sub Zonam Torridam,… Celeriter vero Luna verticem transvolante, cum aquæ tam celeriter sequi non possint, fluxus quidem fit Oceani sub Torrida in Occidentem,…» (Сфера подъемной силы, которая [ с центром] в Луне, простирается до земли и притягивает воды под жаркую зону… Однако луна быстро летит через зенит, поскольку воды не могут следовать так быстро, прилив океана под жаркой [зоной] действительно направлен на запад,…)
  15. ^ abc Брайант, Уолтер Уильям (1920), Кеплер, Пионеры прогресса: Люди науки, Лондон: Общество содействия христианскому знанию , стр.  36 
  16. ^ Стивенсон, Брюс (1994), Физическая астрономия Кеплера , Принстон: Princeton University Press, стр. 4–6, ISBN 0-691-03652-7
  17. ^ Койре, Александр (1973), Астрономическая революция: Коперник, Кеплер, Борелли , Итака, Нью-Йорк: Издательство Корнеллского университета , стр. 194–5, ISBN 0-8014-0504-1
  18. ^ Стивенсон, Брюс (1994), Физическая астрономия Кеплера , Принстон: Princeton University Press, стр. 5, ISBN 0-691-03652-7
  19. ^ Джиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: эссе по истории научных идей. Princeton University Press. стр. 51. ISBN 0-691-02350-6.
  20. ^ "Международный год астрономии и Иоганн Кеплер". Миссия Кеплера . Архивировано из оригинала 8 сентября 2008 года . Получено 9 января 2009 года .

Ссылки

Внешние ссылки