Кеплер прожил не слишком длинную и очень нелегкую жизнь. Несмотря на это, он обогатил науку потрясающими достижениями, потребовавшими не только гениальных озарений, но и многолетнего изнурительного труда, масштаб которого удивляет и сегодня.
По решению Генеральной ассамблеи ООН 2009 год стал Международным годом астрономии в честь 400-летнего юбилея исследования небесных тел с помощью телескопов. Однако 1609 год привнес в историю науки еще одно великое событие: Иоганн Кеплер опубликовал трактат, где были изложены два закона движения планет, которые сейчас носят его имя (третий, и последний, закон появился в печати на десять лет позже). Так что для астрономии нынешний год — дважды юбилейный.
Детство Кеплера, родившегося 27 декабря 1571 года в городке Вейль неподалеку от Штуттгарта, нельзя назвать безоблачным. Семья жила небогато, к тому же он рос практически без отца, который неоднократно нанимался ландскнехтом в чужеземные армии и исчез насовсем, когда Гансу было всего 16 лет. Детей воспитывала мать Катарина, дочь владельца деревенской гостиницы, женщина неуживчивая, сварливая и совершенно необразованная. Гансу светила совершенно ординарная жизнь, но судьба рассудила иначе. Мальчик не вылезал из болезней (оспа, несварение желудка, мигрени) и не годился для физической работы. Но голова у него действовала отлично. В семь лет Ганс поступил в начальную немецкую школу, откуда перешел в латинское училище. В 13-летнем возрасте он выдержал конкурсный экзамен, открывший доступ к духовному образованию. Юноша блестяще окончил семинарии первой и второй ступени и осенью 1589 года стал студентом Тюбингенского университета.
Законы Кеплера
Конечно, сегодня попытки Кеплера объяснить пропорции Солнечной системы с помощью правильных многогранников вызывают улыбку, но ученый верил в свою правоту. Да и было с чего. Согласно Копернику, радиусы планетных орбит от Меркурия до Сатурна относятся как 0,38:0,72:1,00:1,52:5,2:9,2 (радиус земной орбиты принят за единицу). А вычисления на основе кеплеровской модели дают довольно похожие соотношения 0,42:0,76:1,00:1,44:5,3:9,2. Расхождения имеются, но сравнительно небольшие. Первый закон Кеплера (Закон эллипсов). Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Второй закон Кеплера (Закон площадей). Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, заметает секторы равной площади. Третий закон Кеплера (Гармонический закон). Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
В Тюбингене Кеплер провел около пяти лет. За два года он прошел курс факультета свободных искусств и получил степень магистра. Одним из его наставников был Михель Мёстлин — автор довольно известного учебника по астрономии и верный последователь Коперника. Под руководством Мёстлина Кеплер изучил труды греческих геометров, арифметику, тригонометрию и начатки алгебры. Он постиг также тонкости птолемеевской и коперниканской космологии и стал убежденным сторонником гелиоцентрической системы. Однако о занятиях наукой юноша не помышлял и собирался продолжать образование на богословском факультете, куда поступил в 1591 году. Перед этим университетский сенат испросил городские власти Вейля сохранить Кеплеру стипендию на весь оставшися срок обучения. «Юный Кеплер, — писали профессора, — наделен таким выдающимся умом, что от него можно ожидать незаурядных достижений».
Однако духовной карьере Кеплера не суждено было состояться. 13 марта 1594 года его как лучшего выпускника отправили в австрийский город Грац, чтобы срочно заменить скончавшегося учителя математики в лютеранской школе.
Голландские трубы
Кеплер обжился в Граце и смирился со своей новой профессией. Все шло к тому, что он так и останется отлично образованным, но все же вполне рядовым преподавателем провинциальной школы. К счастью для мировой науки, судьба решила иначе. 19 июля 1595 года свершилось событие, которое радикально изменило жизнь Кеплера и вывело его на дорогу великих открытий в физике и астрономии.
Все началось с урока, в ходе которого Кеплер объяснял движение Юпитера и Сатурна по небесной сфере. Каждые 20 лет эти планеты сближаются в поясе зодиакальных созвездий — Юпитер нагоняет Сатурн, а потом уходит вперед (эти встречи имели место в 1563 и 1583 годах и должны были произойти в 1603, 1623 и 1643). С незапамятных времен астрономы и астрологи замечали, что зоны такого сближения каждый раз смещаются в зодиакальном поясе чуть меньше чем на треть полного круга. Кеплер начертил на доске окружность, расположил на ней на равных расстояниях 12 зодиакальных созвездий и отметил несколько сближений Юпитера и Сатурна, начав 1583 годом.
И вот что вышло. Если соединить три последовательных сближения отрезками, получается правильный треугольник, вписанный в зодиакальную окружность. Повторение этой операции дает такой же треугольник, только несколько повернутый (поскольку смещение все же не доходит до 120 градусов). Если продолжать дальше, середины сторон всех получающихся треугольников очертят окружность вдвое меньшего радиуса по сравнению с той, в которую они вписаны. Тут Кеплера осенило. Он знал, что согласно книге Коперника «Об обращении небесных сфер» радиус орбиты Сатурна примерно в 1,75 раза превышает юпитерианский. А эта величина слишком близка к отношению радиусов внешней и внутренней окружностей 2:1, чтобы счесть ее случайным совпадением. А вдруг соотношения между параметрами планетных орбит определяются свойствами определенных геометрических объектов? Позднее Кеплер вспоминал, что это озарение привело его в состояние восторга, которое невозможно передать словами.
Это было лишь начало. Кеплер быстро осознал, что с помощью плоских фигур устройство планетной системы понять невозможно, необходимы объемные тела. Еще античным математикам были известны пять правильных многогранников: четырехгранный тетраэдр, шестигранный куб, восьмигранный октаэдр, 12-гранный додекаэдр и 20-гранный икосаэдр. Кеплер решил, что они укладываются в структуру, которая определяет как число планет (тогда их было известно всего шесть!), так и их орбитальные параметры. Это шесть концентрических сфер, из которых пять содержат вписанные многогранники. Первая, внешняя сфера соответствует орбите Сатурна. В нее вложен куб, а в него — вторая сфера, сфера Юпитера. В эту сферу вписан тетраэдр, в котором расположена сфера Марса. Двигаясь к центру системы, мы пересечем додекаэдр, содержащий вписанную земную сферу, икосаэдр со сферой Венеры и, наконец, октаэдр со сферой Меркурия. Она не содержит вписанных тел, а в ее центре находится Солнце.