stringtranslate.com

Новая астрономия

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, содержащаядесятилетнего исследования движения Марса астрономом Иоганном Кеплером .

Одна из самых значительных книг в истории астрономии , « Новая астрономия» , предоставила убедительные аргументы в пользу гелиоцентризма и внесла ценную информацию о движении планет. Сюда входило первое упоминание об эллиптических траекториях планет и изменение их движения на движение свободно плавающих тел, а не объектов на вращающихся сферах. Оно признано одним из важнейших произведений научной революции . [3]

Фон

До Кеплера в 1543 году Николай Коперник предположил, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Коперниканская модель Солнечной системы рассматривалась как средство объяснения наблюдаемых положений планет, а не как физическое описание. [ нужна 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 они были близки в работе, были бурные отношения. Тем не менее, в 1601 году на смертном одре Браге попросил Кеплера убедиться, что он « умер не напрасно », и продолжить разработку его модели Солнечной системы . Вместо этого Кеплер написал бы « Новую астрономию» , в которой он отвергает систему Тихона, а также систему Птолемея и систему Коперника . Некоторые ученые предполагают, что неприязнь Кеплера к Браге могла повлиять на его отказ от Тихоновской системы и формирование новой. [4]

К 1602 году Кеплер приступил к определению схемы орбиты Марса, информируя Давида Фабрициуса о своих успехах. В начале 1604 года он предположил Фабрициусу возможность существования овальной орбиты, но ему не поверили. Позже в том же году Кеплер ответил, сообщив об открытии эллиптической орбиты Марса . Рукопись Astronomia nova была завершена к сентябрю 1607 года и была напечатана к августу 1609 года .

Структура и резюме

Диаграммы трех моделей движения планет до Кеплера

На английском языке полное название его работы — « Новая астрономия, основанная на причинах, или Небесная физика, трактованная посредством комментариев к движению звезды Марс на основе наблюдений Тихо Браге, Гент» . На протяжении более 650 страниц (в английском переводе) Кеплер шаг за шагом проводит своих читателей через процесс своих открытий.

Обсуждение Священного Писания во введении к «Новой астрономии » было наиболее широко распространенной из работ Кеплера в семнадцатом веке. [6] Во введении описаны четыре шага, которые Кеплер предпринял во время своих исследований.

Когда начинается собственно Astronomia nova , Кеплер демонстрирует, что системы Тихона, Птолемея и Коперника неразличимы только на основе наблюдений. Три модели предсказывают одни и те же положения планет в ближайшем будущем, хотя они расходятся с историческими наблюдениями и не способны предсказать будущие положения планет на небольшую, хотя и абсолютно измеримую величину. Здесь Кеплер представляет свою знаменитую диаграмму движения Марса относительно Земли, если бы Земля оставалась неподвижной в центре своей орбиты. Диаграмма 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 длине в шестнадцатой главе:

Если вам наскучил этот утомительный метод расчета, пожалейте меня, которому пришлось пройти по крайней мере семьдесят повторений этого метода с очень большой потерей времени. [7]

Кеплер, сделав очень важный шаг, также ставит под сомнение предположение о том, что планеты движутся вокруг центра своей орбиты с одинаковой скоростью. Он обнаружил, что вычисление критических измерений на основе фактического положения Солнца на небе, а не «среднего» положения Солнца, вносит значительную степень неопределенности в модели, открывая путь для дальнейших исследований. Идея о том, что планеты движутся не с одинаковой скоростью, а со скоростью, которая меняется в зависимости от их расстояния от Солнца, была совершенно революционной и стала его вторым законом (открытым раньше первого). Кеплер в своих расчетах, приведших к его второму закону, допустил множество математических ошибок, которые, к счастью, нивелировали друг друга «как будто чудом». [7]

Учитывая этот второй закон, в главе 33 он утверждает, что Солнце — это двигатель, который приводит в движение планеты. Чтобы описать движение планет, он утверждает, что Солнце излучает физический вид, аналогичный излучаемому им свету, который толкает планеты вперед. Он также предполагает существование второй силы внутри каждой планеты, которая притягивает ее к Солнцу, чтобы не дать ей уйти по спирали в космос.

Затем Кеплер пытается найти истинную форму планетарных орбит, которая, как он определяет, является эллиптической. Его первоначальная попытка определить орбиту Марса как круг отклонилась всего на восемь угловых минут , но этого было достаточно, чтобы он посвятил шесть лет устранению несоответствия. Данные, похоже, создали симметричную яйцевидную кривую внутри предсказанного им круга. Сначала он проверил форму яйца, затем разработал теорию орбиты, диаметр которой колеблется, и вернулся к яйцу. Наконец, в начале 1605 года он геометрически проверил эллипс, который, как он ранее считал, был слишком простым решением, чтобы предыдущие астрономы могли его упустить из виду. [8] По иронии судьбы, он уже получил это решение тригонометрически много месяцев назад. [9] Как он говорит:

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

Законы Кеплера

Astronomia nova фиксирует открытие первых двух из трех принципов, известных сегодня как законы движения планет Кеплера , а именно:

  1. Планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце . [11]
  2. Что скорость планеты в каждый момент меняется так, что время между двумя положениями всегда пропорционально площади, охватываемой орбите 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 изменяется обратно пропорционально ее расстоянию от Солнца, и поэтому он мог измерять изменения в положении планеты, суммируя все меры расстояния: или глядя на область вдоль орбитальной дуги. Это его так называемый «закон расстояния». В главе 59 он утверждает, что радиус от Солнца до планеты охватывает равные площади за равное время. Это его так называемый «закон области».

Однако «принцип площади-времени» Кеплера не способствовал легкому вычислению положений планет. Кеплер мог разделить орбиту на произвольное число частей, вычислить положение планеты для каждой из них, а затем свести все вопросы в таблицу, но он не мог определить положение планеты в каждый отдельный момент, потому что скорость планеты постоянно менялась. Этот парадокс, получивший название « проблема Кеплера », побудил развитие исчисления .

Спустя десять лет после публикации «Новой астрономии» Кеплер открыл свой «третий закон», опубликованный в его книге «Harmonices Mundi » 1619 года ( «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

Во вступительном обсуждении движущейся Земли Кеплер затронул вопрос о том, как Земля могла бы удерживать свои части вместе, если бы она удалялась от центра Вселенной, который, согласно аристотелевской физике , был местом , к которому естественным образом двигались все тяжелые тела. Кеплер предложил силу притяжения, подобную магнетизму , которая, возможно, была известна Ньютону.

Гравитация — это взаимное телесное стремление родственных тел объединиться или соединиться вместе; таким образом, земля притягивает камень гораздо сильнее, чем камень ищет землю. (Магнетическая способность является еще одним примером такого рода)... Если бы два камня были поставлены рядом друг с другом в каком-то месте мира вне сферы влияния третьего родственного тела, то эти камни, как два магнитных тела, пришли бы вместе в промежуточном месте, причем каждый приближается к другому на расстояние, пропорциональное массе [ моль ] другого... Ибо из этого следует, что если сила притяжения Земли с гораздо большей вероятностью распространится на Луну и далеко за ее пределы и, соответственно, ничто, состоящее в какой-либо степени из земного материала, поднятое на высоту, никогда не ускользает от власти этой могучей силы притяжения. [6]

Кеплер обсуждает гравитационное влияние Луны на приливы и отливы следующим образом: [14] [15]

Сфера притягательной добродетели, находящейся в Луне, простирается до земли и завлекает воды; но так как луна быстро летит через зенит, а воды не могут следовать за ней так быстро, то в жаркой зоне возникает течение океана на запад. Если сила притяжения Луны простирается до Земли, из этого с большим основанием следует, что сила притяжения Земли простирается до Луны и гораздо дальше; и, короче говоря, ничто из того, что состоит из земной субстанции, так или иначе составленной, хотя и поднятой на какую-либо высоту, никогда не может избежать мощного действия этой притягательной силы.

Кеплер также разъясняет концепцию легкости с точки зрения относительной плотности, в отличие от аристотелевской концепции абсолютной природы или качества легкости следующим образом. Его аргумент сегодня можно легко применить к чему-то вроде полета на воздушном шаре.

Ничто из того, что состоит из телесной материи, не является абсолютно легким, но сравнительно легче то, что реже, либо по своей природе, либо по случайному теплу. И не следует думать, что легкие тела убегают на поверхность Вселенной, пока их уносит вверх, или что они не притягиваются Землей. Их притягивает, но в меньшей степени, и поэтому тяжелые тела выталкивают их наружу; сделав это, они останавливаются и удерживаются землей на своем месте. [15]

Что касается дискуссии Кеплера о гравитации, Уолтер Уильям Брайант в своей книге «Кеплер» (1920) делает следующее заявление.

...Введение к «Комментарам о движении Марса» Кеплера, всегда считавшееся его самой ценной работой, должно было быть известно Ньютону, так что ни один такой инцидент, как падение яблока, не требовался для обеспечения необходимого и достаточного объяснение происхождения его теории всемирного тяготения. Взгляд Кеплера на такую ​​теорию мог быть не более чем проблеском, поскольку он не пошел дальше. Это кажется печальным, поскольку оно гораздо менее причудливо, чем многие из его идей, хотя и не лишено «добродетелей» и «животных способностей», которые соответствуют «духу и юмору» Гилберта. [15]

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

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

День памяти

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

Примечания

  1. ^ Греческий αἰτιολογητός можно перевести как «объясненный, оправданный» (от αἰτιολογῶ «объясняю, обосновываю»), но он также сочетает в себе два корня αιτία «причина» и λόγος «причина». Забота Кеплера о причинах, как ясно показано в книге, указывает на то, что он подразумевал в названии нечто более конкретное, чем общие «обоснованные» или «объясненные», поэтому название Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ можно понимать как «Новая астрономия, основанная на причинах». или «обосновано причинами».
  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. ^ Фёлкель, Джеймс Р. (2001). Состав новой астрономии Кеплера . Принстон: Издательство Принстонского университета . п. 1. ISBN 0-691-00738-1.
  4. ^ Кестлер, Артур (1990) [1959]. Лунатики: история изменения взглядов человека на Вселенную. Лондон: Книги Пингвинов . п. 1. ISBN 0-14-019246-8.
  5. ^ Дрейер, Джон Луи Эмиль (1906). История планетных систем от Фалеса до Кеплера. Кембридж: Университетское издательство. стр. 401–2.
  6. ^ аб Кеплер, Иоганнес ; Уильям Х. Донахью (2004). Отрывки из «Новой астрономии» Кеплера . Санта-Фе: Green Lion Press. п. 1. ISBN 1-888009-28-4.
  7. ^ Аб Кестлер, Артур (1990). Лунатики: история изменения взгляда человека на Вселенную. Лондон: Книги Пингвина. п. 325. ИСБН 0-14-019246-8.
  8. ^ Каспар, Макс (1993). Кеплер ; перевод и изд. К. Дорис Хеллман ; с новым введением и ссылками Оуэна Джинджерича; библиографические цитаты Оуэна Джингерича и Алена Сегонда. Нью-Йорк: Дувр. п. 133. ISBN 0-486-67605-6 . 
  9. ^ Гиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: очерк истории научных идей. Издательство Принстонского университета. стр. 33–37. ISBN 0-691-02350-6.
  10. ^ Кестлер, Артур (1990). Лунатики: история изменения взгляда человека на Вселенную. Лондон: Книги Пингвина. п. 338. ИСБН 0-14-019246-8.
  11. ↑ В своей книге «Новая астрономия» Кеплер представил лишь доказательство того, что орбита Марса эллиптическая. Доказательства того, что орбиты других известных планет имеют эллиптическую форму, были представлены позже. См.: Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), с. 285. Отвергнув круговую и овальную 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 Demonstrabitur, nullam Planetæ relinqui figuram Orbitæ, præterquam perfecte ellipticam…» (… как будет показано в следующей главе: где также будет затем доказано, что необходимо отказаться от любой фигуры орбиты планеты, кроме идеального эллипса; … ) И затем: «Caput LIX. Demonstratio, quod Orbita Martis, … , fiat perfecta ellipsis: …» (Глава 59. Доказательство того, что орбита Марса, …, является идеальным эллипсом: …) Геометрическое доказательство того, что орбита Марса является эллипсом. появляется как Протеорема XI на страницах 289–290.
    Кеплер заявил, что все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце: Иоганн Кеплер, Epitome Astronomiae Copernicanae [Краткий обзор коперниканской астрономии] (Линц («Lentiis ad Danubium»), (Австрия): Иоганн Планк, 1622), книга 5, часть 1, III. De Figura Orbitæ (III. О фигуре [то есть форме] орбит), страницы 658–665. Из стр. 658: «Ellipsin fieri Orbitam Planetæ…» (Из эллипса состоит орбита планеты…). Из стр. 659: «… Sole (Foco altero huius ellipsis)…» (… Солнце (другой фокус этого эллипса)… ).
  12. ^ В своей «Новой астрономии …» (1609 г.) Кеплер не представил свой второй закон в его современной форме. Он сделал это только в своем «Изложении » 1621 года. Более того, в 1609 году он представил свой второй закон в двух разных формах, которые ученые называют «законом расстояния» и «законом площади».
    • Его «закон расстояния» представлен в: «Caput XXXII. Virtutem quam Planetam moven 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, настолько дольше планета будет оставаться на определенной дуге эксцентрика вблизи δ, чем на равной дуге эксцентрика вблизи ε.) То есть, чем дальше планета находится от Солнца (… в точке α), тем медленнее она движется по своей орбите, поэтому радиус от Солнца до планеты проходит через равные площади за равное время. Однако, как представил Кеплер, его аргумент верен только для кругов, 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, длительность которой ограничена [т. е. измерена] площадью АКМ, должна оканчиваться в ЛК, чтобы она [т. е. дуга] была АМ.) Другими словами, время, в течение которого Марс требуется для перемещения по дуге АМ своей эллиптической орбиты, измеряется площадью отрезка АМН эллипса (где N – положение Солнца), которая в свою очередь пропорциональна сечению АКН круга, описывающего эллипс и это имеет к этому отношение. Поэтому площадь AMN, выметаемая радиусом от Солнца до Марса при движении Марса по дуге AM своей эллиптической орбиты, пропорциональна времени, которое требуется Марсу для движения по этой дуге. Таким образом, радиус от Солнца до Марса за одинаковое время охватывает равные площади.
    В 1621 году Кеплер подтвердил свой второй закон для любой планеты: Иоганн Кеплер, Epitome Astronomiae Copernicanae [Краткий обзор коперниканской астрономии] (Линц («Lentiis ad Danubium»), (Австрия): Иоганн Планк, 1622), книга 5, стр. 668. Со страницы 668: «Dictum quidem est in Superioribus, divisa Orbita in particulas minutissimas æquales: accrescete iis moras Planetæ per eas, inпропорционально интерваллорум среди eas & Solem». (Выше было сказано, что если орбиту планеты разделить на наименьшие равные части, то время пребывания планеты в них увеличивается пропорционально расстоянию между ними и Солнцем.) Т. е. скорость планеты вдоль его орбита обратно пропорциональна 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. Снизу п. 189: «Sed res est certissima strictissimaque quod proportio qua est inter binorum quorumcunque Planetarum tempora perioda, sit præcision sesquialtera propis mediarum distanceiarum,…» (Но совершенно достоверно и точно то, что пропорция между периодами периодов любых двух планет равна именно полуторная чередующаяся пропорция [ т.
    е . соотношение 3:2] их средних расстояний … » ) Мир (Филадельфия, Пенсильвания: Американское философское общество, 1997), см. особенно стр. 411;
  14. ^ Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), с. 5 Introductio in hoc opus (Введение к данной работе). Со страницы 5: «Orbis virtutistractiæ, quæ est in Luna, porrigitur utque ad Terras и 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 [центрирована] в Луне, простирается до земли и притягивает воды под жаркую зону,… Однако Луна быстро летит через зенит; потому что воды не могут следуйте так быстро, прилив океана под знойной [зоной] действительно направлен на запад,…)
  15. ^ abc Брайант, Уолтер Уильям (1920), Кеплер, Пионеры прогресса: люди науки, Лондон: Общество содействия распространению христианских знаний , 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 Корнельского 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. ^ Гиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: очерк истории научных идей. Издательство Принстонского университета. п. 51. ИСБН 0-691-02350-6.
  20. ^ «Международный год астрономии и Иоганна Кеплера». Миссия Кеплера . Архивировано из оригинала 8 сентября 2008 года . Проверено 9 января 2009 г.

Рекомендации

Внешние ссылки