"กฎของเคปเลอร์" - วลีนี้เหมาะสำหรับทุกคนที่รักดาราศาสตร์ คนนี้คือใคร? เขาอธิบายความเชื่อมโยงและการพึ่งพาอาศัยกันของความเป็นจริงตามวัตถุประสงค์อะไร นักดาราศาสตร์ นักคณิตศาสตร์ นักเทววิทยา นักปรัชญา ผู้ที่ฉลาดที่สุดในยุคของเขา โยฮันเนส เคปเลอร์ (1571-1630) ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ
จุดเริ่มต้นของการเดินทาง
โยฮันเนส เคปเลอร์ ชาว Weil der Stadt (เยอรมนี) เข้ามาในโลกนี้ในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1571 เด็กที่อ่อนแอ สายตาสั้น เอาชนะทุกสิ่งเพื่อชัยชนะในชีวิตนี้ การศึกษาของเด็กชายเริ่มขึ้นในลีองเบิร์กซึ่งครอบครัวย้ายไปอยู่ ต่อมาเขาย้ายไปเรียนที่สถาบันขั้นสูง โรงเรียนละติน เพื่อเรียนรู้พื้นฐานของภาษาซึ่งเขาตั้งใจจะใช้ในสิ่งพิมพ์ในอนาคต
ในปี ค.ศ. 1589 เขาสำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนที่วัดเมาลบรอนน์ในเมืองอาเดลเบิร์ก ในปี ค.ศ. 1591 เขาเข้ามหาวิทยาลัยในทูบิงเงน ระบบการศึกษาที่มีประสิทธิภาพถูกสร้างขึ้นโดยดุ๊กภายหลังการนำลัทธิลูเธอรันมาใช้ ด้วยความช่วยเหลือของทุนและทุนการศึกษาเพื่อคนจน ทางการพยายามเพื่อให้มหาวิทยาลัยมีผู้สมัครที่สามารถได้รับการฝึกฝนให้เป็นนักบวชที่มีการศึกษาดีสามารถปกป้องความเชื่อใหม่ในช่วงเวลาแห่งความขัดแย้งทางศาสนาที่โหมกระหน่ำ
ระหว่างที่เขาอยู่ที่สถาบันการศึกษา Kepler อยู่ภายใต้อิทธิพลของศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ Michael Möstlin ฝ่ายหลังแอบแบ่งปันมุมมองของโคเปอร์นิคัสเกี่ยวกับความคิดของจักรวาลเฮลิโอเซนทริค (ดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลาง) แม้ว่าเขาจะสอนนักเรียน "ตามปโตเลมี" (โลกอยู่ตรงกลาง) ความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับแนวคิดของนักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์ได้กระตุ้นให้เคปเลอร์สนใจดาราศาสตร์เป็นอย่างมาก ดังนั้นทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสจึงมีผู้สนับสนุนอีกคนที่พยายามทำความเข้าใจกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นการส่วนตัว
ระบบสุริยะคืองานศิลปะ
น่าแปลกที่ผู้ที่ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในเวลาต่อมาไม่คิดว่าตัวเองเป็นนักดาราศาสตร์ด้วยอาชีพ ตลอดชีวิตของเขา เคปเลอร์เชื่อว่าระบบสุริยะเป็นผลงานศิลปะ เต็มไปด้วยปรากฏการณ์ลึกลับ เขาใฝ่ฝันที่จะเป็นนักบวช นักดาราศาสตร์อธิบายความสนใจในทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสโดยข้อเท็จจริงที่ว่าก่อนที่จะสรุปผลจากการวิจัยของเขาเอง เขาต้องศึกษาความคิดเห็นที่ต่างออกไป
อย่างไรก็ตาม อาจารย์มหาวิทยาลัยพูดถึงเคปเลอร์ว่าเป็นนักเรียนที่มีจิตใจดีเยี่ยม ในปี ค.ศ. 1591 เมื่อได้รับปริญญาโทแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาต่อในสาขาเทววิทยาต่อไป เมื่อใกล้จะสำเร็จ เป็นที่รู้กันว่าศาสตราจารย์วิชาคณิตศาสตร์เสียชีวิตที่โรงเรียนลูเธอรันในกราซ มหาวิทยาลัย Tübingen แนะนำให้คัดเลือกผู้มีความสามารถในทุกด้านสำหรับตำแหน่งนี้ความสัมพันธ์ระดับบัณฑิตศึกษา ลาก่อนกฎของการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์?
ในพระนามของพระเจ้า
โยฮันน์วัย 22 ปีปฏิเสธที่จะเลิกรับหน้าที่เป็นบาทหลวงในสมัยแรกอย่างไม่เต็มใจ แต่ก็ยังรับหน้าที่ครูสอนคณิตศาสตร์ในเมืองกราซ ขณะบรรยายในชั้นเรียน ครูสามเณรวาดภาพเรขาคณิตบางรูปบนกระดานดำเกี่ยวกับวงกลมที่มีศูนย์กลางและสามเหลี่ยม และทันใดนั้น ความคิดก็เกิดขึ้นกับเขาว่าตัวเลขดังกล่าวสะท้อนอัตราส่วนคงที่ระหว่างขนาดของวงกลมสองวง โดยที่สามเหลี่ยมนั้นจะมีด้านเท่ากันหมด อัตราส่วนพื้นที่ระหว่างวงกลมทั้งสองคืออะไร? กระบวนการคิดกำลังได้รับแรงผลักดัน
หนึ่งปีต่อมา นักศาสนศาสตร์ที่ไม่ธรรมดาได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่องแรกของเขา The Mystery of the Universe (1596) ในนั้น เขาได้สรุปมุมมองที่สร้างสรรค์ของเขาเกี่ยวกับความลับของจักรวาล ซึ่งสนับสนุนโดยความเชื่อทางศาสนา
ผู้ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้กระทำในนามของพระเจ้า การเปิดเผยแผนทางคณิตศาสตร์ของจักรวาล นักวิจัยได้ข้อสรุป: ดาวเคราะห์หกดวงถูกล้อมรอบด้วยทรงกลม ซึ่งระหว่างนั้นจะมีรูปทรงหลายเหลี่ยมปกติห้าดวงพอดี แน่นอนว่าเวอร์ชันนี้มีพื้นฐานมาจาก "ข้อเท็จจริง" ที่มีเทห์ฟากฟ้าเพียง 6 องค์เท่านั้น รอบวงโคจรของโลก เคปเลอร์ร่างโครงร่างสิบสองเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบและทรงกลมที่สัมผัสวงโคจรของดาวอังคาร
รูปทรงหลายเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ
บริเวณดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์วาดภาพจัตุรมุขและทรงกลมที่อยู่ติดกับวงโคจรของดาวพฤหัสบดี ใน icosahedron ในวงโคจรของโลก ทรงกลมของดาวศุกร์ "พอดี" อย่างสมบูรณ์แบบ ใช้ส่วนที่เหลือประเภทของรูปทรงหลายเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ ทำเช่นเดียวกันกับส่วนที่เหลือ น่าแปลกที่อัตราส่วนของวงโคจรของดาวเคราะห์ใกล้เคียงที่แสดงในแบบจำลองทรงกลมที่ซ้อนกันของเคปเลอร์ ใกล้เคียงกับการคำนวณของโคเปอร์นิคัส
ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ นักบวชที่มีจิตใจเป็นคณิตศาสตร์อาศัยการดลใจจากสวรรค์เป็นหลัก เขาไม่มีพื้นฐานที่แท้จริงสำหรับการโต้แย้ง ความสำคัญของบทความ "ความลับของจักรวาล" อยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่ามันเป็นขั้นตอนชี้ขาดขั้นแรกสู่การยอมรับระบบ heliocentric ของโลกที่กำหนดโดยโคเปอร์นิคัส
สมมติฐานเทียบกับความแม่นยำสูง
ในเดือนกันยายน ค.ศ. 1598 โปรเตสแตนต์ในกราซ รวมทั้งเคปเลอร์ ถูกผู้ปกครองคาทอลิกบังคับออกจากเมือง แม้ว่าโยฮันจะได้รับอนุญาตให้กลับมา แต่สถานการณ์ยังคงตึงเครียดมาก ในการค้นหาการสนับสนุน เขาหันไปหา Tycho Brahe นักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ในราชสำนักของจักรพรรดิรูดอล์ฟที่ 2 นักวิทยาศาสตร์เป็นที่รู้จักจากการรวบรวมการสังเกตการณ์ดาวเคราะห์ที่น่าประทับใจ
เขารู้เรื่องงาน "ความลับของจักรวาล". แต่เมื่อในปี ค.ศ. 1600 ผู้สร้างมาถึงที่หอดูดาว Tycho ซึ่งอยู่นอกเมืองปราก Brahe ซึ่งทำงานในการวิจัยที่มีความแม่นยำสูง (ในขณะนั้น) ยินดีต้อนรับเขาในฐานะผู้เขียนงานเฉพาะ แต่ไม่ใช่ในฐานะเพื่อนร่วมงานของเขา. การเผชิญหน้าระหว่างพวกเขาดำเนินต่อไปจนกระทั่งนักโหราศาสตร์ชาวเดนมาร์กถึงแก่กรรม ซึ่งเกิดขึ้นในอีกหนึ่งปีต่อมา หลังจากการจากไปของคู่แข่งไปยังอีกโลกหนึ่ง Kepler ได้รับความไว้วางใจให้ดูแลคลังสมบัติจากการสังเกตการณ์ของเขา พวกเขาช่วยนักวิจัยอย่างมากให้เป็นผู้ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์
เส้นทางของดาวอังคาร
การวิจัยล่าสุดของ Brage เพื่อสร้างตารางการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ ความหวังทั้งหมดถูกตรึงไว้กับผู้สืบทอด เขาได้รับการแต่งตั้งเป็นนักคณิตศาสตร์ของจักรวรรดิ แม้จะมีความสัมพันธ์ที่ตึงเครียดกับเพื่อนร่วมงานที่เสียชีวิต แต่เคปเลอร์ก็มีอิสระที่จะไล่ตามความสนใจของตัวเองในด้านดาราศาสตร์ เขาตัดสินใจสำรวจดาวอังคารต่อไปและบรรยายภาพวงโคจรของดาวเคราะห์ดวงนี้เอง
โยฮันน์มั่นใจด้วยการเปิดเส้นทางดาวอังคารที่ซับซ้อน เผยให้เห็นเส้นทางการเคลื่อนที่ของ "ผู้พเนจรแห่งจักรวาล" คนอื่นๆ ทั้งหมด ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่นิยม เขาไม่ได้เพียงแค่ใช้การสังเกตของ Brahe เพื่อเลือกรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมกับคำอธิบาย นักศาสนศาสตร์เมื่อวานนี้ได้ชี้นำความพยายามของเขาในการค้นพบทฤษฎีทางกายภาพของการเคลื่อนไหวของ "พี่สาวน้องสาวที่อาศัยอยู่ในอวกาศที่ไม่มีอากาศถ่ายเท" ซึ่งสามารถอนุมานได้ว่าวงโคจรของพวกเขาเป็นอย่างไร หลังจากงานวิจัยของไททานิค กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์สามกฎปรากฏขึ้น
กฎข้อที่หนึ่ง
อ. โคจรของดาวเคราะห์เป็นวงรีที่มีดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดโฟกัสจุดใดจุดหนึ่ง
กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะกำหนดว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่เป็นวงรี ปรากฏหลังจากการคำนวณแปดปีโดยใช้ฐานข้อมูลที่รวบรวมโดย Tycho Brahe จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของ Star Mars Johann เรียกงานของเขาว่า "New Astronomy"
ดังนั้น ตามกฎข้อแรกของ Kepler วงรีใดๆ จะมีจุดเรขาคณิตสองจุดที่เรียกว่า foci (โฟกัสในเอกพจน์) ระยะทางทั้งหมดจากดาวเคราะห์ไปยังศูนย์กลางแต่ละจุดจะถูกสรุปเสมอเหมือนกันไม่ว่าดาวเคราะห์จะอยู่ในเส้นทางการเคลื่อนที่ของที่ไหน ความสำคัญของการค้นพบนี้คือสมมติฐานที่ว่าวงโคจรไม่ใช่วงกลมที่สมบูรณ์ (ตามทฤษฎี geocentric) ทำให้ผู้คนเข้าใจภาพของโลกได้แม่นยำและชัดเจนมากขึ้น
กฎข้อที่สอง
II. เส้นที่เชื่อมต่อดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ (เวกเตอร์รัศมี) ครอบคลุมพื้นที่เท่ากันในช่วงเวลาเท่ากันในขณะที่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบวงรี
นั่นคือในช่วงเวลาใด ๆ ตัวอย่างเช่น หลังจาก 30 วัน ดาวเคราะห์จะเอาชนะพื้นที่เดียวกัน ไม่ว่าคุณจะเลือกช่วงเวลาใด มันเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์และช้าลงเมื่อเคลื่อนที่ออกไป แต่จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเมื่อเคลื่อนที่รอบวงโคจร การเคลื่อนที่ที่ “ว่องไว” ที่สุดจะสังเกตได้จากจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด (จุดที่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด) และการเคลื่อนไหวที่ “เฉียบแหลม” ที่สุดที่เอฟีเลียน (จุดที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากที่สุด) ให้เหตุผลกับผู้ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์
กฎข้อที่สาม
III. กำลังสองของคาบรวมของเวลาโคจร (T) เป็นสัดส่วนกับลูกบาศก์ของระยะทางเฉลี่ยจากดาวเคราะห์ถึงดวงอาทิตย์ (R)
หลักการนี้บางครั้งเรียกว่ากฎแห่งความสามัคคี มันเปรียบเทียบระยะเวลาการโคจรและรัศมีการโคจรของดาวเคราะห์ สาระสำคัญของการค้นพบของเคปเลอร์มีดังนี้: อัตราส่วนของกำลังสองของคาบการเคลื่อนที่และลูกบาศก์ของระยะทางเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์จะเท่ากันสำหรับดาวเคราะห์แต่ละดวง
ขอย้ำ กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์อยู่บนพื้นฐานของการสังเกตการณ์ที่จริงจังในระยะยาวและประมวลผลทางคณิตศาสตร์ แสดงความสม่ำเสมอไม่เปิดเผยเงื่อนไขของปรากฏการณ์ ต่อมา นิวตัน ผู้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลที่มีชื่อเสียงได้พิสูจน์ว่าคำตอบอยู่ในคุณสมบัติทางกายภาพของร่างกายเพื่อดึงดูดกันและกัน
เงาร่างฉันอยู่ตรงนี้
แม้จะประสบความสำเร็จ Kepler ประสบปัญหาทางการเงินตลอดเวลา ไม่มีเวลาสำหรับการวิจัย ย้ายไปค้นหาสถานที่ที่ยอมรับความเชื่อทางศาสนาของเขา หลายครั้งที่เขาพยายามจะรับตำแหน่งสอนในทูบิงเงน แต่ถูกมองว่าเป็นคนทรยศ โปรเตสแตนต์ และถูกปฏิเสธ
โยฮันเนส เคปเลอร์ เสียชีวิตเมื่อวันที่ 15 พฤศจิกายน ค.ศ. 1630 จากอาการไข้เฉียบพลัน เขาถูกฝังอยู่ในสุสานโปรเตสแตนต์ ในคำจารึก ลูกชายที่ถูกต้องตามกฎหมายของเขาเขียนว่า “ฉันใช้สวรรค์เพื่อวัด ตอนนี้ฉันต้องวัดเงาของโลก แม้ว่าจิตวิญญาณของฉันจะอยู่บนสวรรค์ แต่เงาของร่างกายของฉันก็อยู่ที่นี่”
ใช่ ในขั้นต้น ในจิตวิญญาณของแนวคิดยุคกลาง นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่เพราะมีวิญญาณ นี่คือเวทมนตร์ที่มีชีวิต ไม่ใช่แค่ก้อนสสาร ต่อมาเขาตระหนักว่าวิธีการทางวิทยาศาสตร์มีความชอบธรรมมากกว่า นักบวชและนักดาราศาสตร์ผู้ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้เดินบนเส้นทางแห่งความเข้าใจอย่างตรงไปตรงมา แต่ขอยอมรับกับตัวเองว่า: บางครั้งดูเหมือนว่ามีเวทย์มนต์มากมายในจักรวาลวิทยาศาสตร์ตลอดเวลา!