Astronomia nova - Astronomia nova

Astronomia nova (английский: Новая астрономия)
АвторИоганн Кеплер
Оригинальное названиеAstronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ seu Physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex monitoringibus G.V. Тихонис Браге (Новая астрономия, основанная на причинах, или небесная физика, трактованная посредством комментариев к движениям звезды Марс, из наблюдений благородного Тихо Браге)
Языклатинский
Предметастрономия

Astronomia nova (английский: Новая астрономия, полное название в оригинале латинский: Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ seu Physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex monitoringibus G.V. Тихонис Браге)[1][2] это книга, опубликованная в 1609 году, которая содержит результаты астронома Иоганн Кеплер десятилетнее расследование движения Марс. Одна из самых значительных книг в история астрономии, то Astronomia nova предоставил веские аргументы в пользу гелиоцентризм и внес ценный вклад в понимание движения планет. Это включало первое упоминание об эллиптических траекториях планет и замене их движения на движение свободно плавающих тел в отличие от объектов на вращающихся сферах. Он признан одним из самых важных произведений научная революция.[3]

Фон

До Кеплера Николай Коперник в 1543 г. предложил, чтобы Земля и другие планеты вращались вокруг Солнца. Коперниканская модель Солнечная система считалось средством для объяснения наблюдаемого положения планет, а не физического описания.[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 и близких по работе, были бурные отношения. Тем не менее, в 1601 году на смертном одре Браге попросил Кеплера удостовериться, что он «не умер напрасно», и продолжить разработку его модель Солнечной системы. Кеплер вместо этого написал бы Astronomia nova, в котором он отвергает систему Тихона, а также Система Птолемея и Система Коперника. Некоторые ученые предполагают, что неприязнь Кеплера к Браге, возможно, повлияла на его отказ от системы Тихона и формирование новой.[4]

К 1602 году Кеплер приступил к работе по определению орбиты Марса, сохраняя Давид Фабрициус сообщил о его прогрессе. Он предположил Фабрициусу возможность овальной орбиты к началу 1604 года, хотя в это не поверили. Позже в том же году Кеплер написал в ответ о своем открытии Марса. эллиптический орбита. Рукопись для Astronomia nova был завершен к сентябрю 1607 года и был напечатан к августу 1609 года.[5]

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, обработанная посредством комментариев к движениям звезды Марс, по наблюдениям Тихо Браге, Гент. На протяжении более 650 страниц Кеплер шаг за шагом проводит своих читателей через свой процесс открытий, чтобы рассеять любое впечатление о «культивировании новизны», - говорит он.

В Astronomia nova'Введение, в частности обсуждение Священного Писания, было самым распространенным из произведений Кеплера в семнадцатом веке.[6] Во введении описаны четыре шага, которые Кеплер предпринял во время своего исследования. Во-первых, он утверждает, что само Солнце, а не какая-либо воображаемая точка около Солнца (как в Система Коперника ) - точка пересечения всех плоскостей эксцентриков планет или центр орбит планет. Второй шаг состоит в том, что Кеплер помещает Солнце как центр и движитель других планет. Этот шаг также содержит ответ Кеплера на возражения против размещения Солнца в центре вселенной, включая возражения, основанные на Священных Писаниях. В ответ на Священное Писание он утверждает, что оно не претендует на физическую догму, и его содержание следует воспринимать духовно. На третьем этапе он утверждает, что Солнце является источником движения всех планет, используя доказательство Браге, основанное на кометах, что планеты не вращаются по орбам. Четвертый шаг состоит в описании пути планет как не круга, а как овала.

Поскольку Astronomia nova Правильно начав, Кеплер демонстрирует, что системы Тихона, Птолемея и Коперника неотличимы только на основе наблюдений. Три модели предсказывают одинаковые положения планет в ближайшем будущем, хотя они расходятся с историческими наблюдениями и не в состоянии предсказать будущее положение планет на небольшую, хотя и абсолютно измеримую величину. Кеплер представляет здесь свою знаменитую диаграмму движения Марса по отношению к Земле, если Земля оставалась неподвижной в центре своей орбиты. Схема показывает, что орбита Марса была бы совершенно несовершенной и никогда не следовала бы по тому же пути.

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

Если тебе наскучил этот утомительный метод расчета, пожалей меня, которому пришлось пройти по крайней мере семьдесят его повторений с очень большой потерей времени.[7]

Кеплер на очень важном этапе 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 его положения. "средняя" позиция 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 зависит от их расстояния от Солнца, была полностью революционной и станет его вторым законом (открытым раньше первого). Кеплер в своих вычислениях, ведущих к своему второму закону, допустил несколько математических ошибок, которые, к счастью, нейтрализовали друг друга, «как будто чудом».[7]

Учитывая этот второй закон, в главе 33 он заявляет, что Солнце является двигателем, движущим планеты. Чтобы описать движение планет, он утверждает, что Солнце излучает физический вид, аналогичный свету, который оно также излучает, которое толкает планеты. Он также предлагает вторую силу внутри каждой планеты, которая притягивает ее к Солнцу, чтобы не дать ей уйти по спирали в космос.

Затем Кеплер пытается найти истинную форму планетных орбит, которую он определяет как эллиптическую. Его первая попытка определить орбиту Марса как круг была отклонена всего на восемь градусов. угловые минуты, но этого было достаточно, чтобы он посвятил шесть лет устранению несоответствия. Данные, казалось, производили симметричную яйцевидную кривую внутри его предсказанного круга. Сначала он проверил форму яйца, затем разработал теорию орбиты, которая колеблется в диаметре, и вернулся к яйцу. Наконец, в начале 1605 года он геометрически проверил эллипс, который ранее считал слишком простым решением, чтобы астрономы не могли его упустить из виду.[8] По иронии судьбы, он уже получил это решение тригонометрическим путем много месяцев назад.[9] Как он говорит,

Я отложил [исходное уравнение] в сторону и снова обратился к эллипсам, полагая, что это совершенно разные гипотезы, тогда как эти две, как я докажу в следующей главе, составляют одно в [sic ] то же самое ... Ах, какой я был глупой птицей![10]

Законы Кеплера

В Astronomia nova записывает открытие первых двух из трех принципов, известных сегодня как Законы движения планет Кеплера, которые:

  1. Планеты движутся по эллиптическим орбитам вместе с Солнцем за одну фокус.[11]
  2. Скорость планеты изменяется в каждый момент, так что время между двумя положениями всегда пропорционально площади, проносящейся по орбите между этими положениями.[12]

Кеплер открыл «второй закон» раньше первого. Он представил свой второй закон в двух разных формах: в главе 32 он заявляет, что скорость планеты изменяется обратно пропорционально ее расстоянию от Солнца, и поэтому он может измерить изменения положения планеты, сложив все меры расстояния, или глядя на область вдоль дуги орбиты. Это его так называемый «закон расстояния». В главе 59 он заявляет, что радиус от Солнца до планеты сметает равные области в равное время. Это его так называемый «закон области».

Однако «принцип площади-времени» Кеплера не облегчает вычисление положений планет. Кеплер мог разделить орбиту на произвольное количество частей, вычислить положение планеты для каждой из них, а затем связать все вопросы с таблицей, но он не мог определить положение планеты в каждый отдельный момент, потому что скорость планеты постоянно менялась. Этот парадокс, получивший название "Проблема Кеплера, "побудили к разработке исчисление.

Спустя десятилетие после публикации Astronomia nova, Кеплер открыл свой «третий закон», опубликованный в его 1619 г. 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.

Знание Кеплера о гравитации

Смотрите также: История теории гравитации

В своем вводном 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 Аристотелевская физика, был место к которому естественно двигались все тяжелые тела. Кеплер предложил силу притяжения, подобную магнетизм, который, возможно, был известен Ньютону.

Сила тяжести это взаимная телесная предрасположенность родственных тел к объединению или соединению; таким образом, земля привлекает камень гораздо больше, чем камень ищет землю. (Магнитная способность - еще один пример такого рода) .... Если бы два камня были установлены рядом друг с другом в каком-то месте в мире за пределами сферы влияния третьего родственного тела, эти камни, как два магнитных тела, подошли бы. вместе в промежуточном месте, приближаясь друг к другу на расстояние, пропорциональное объему [родинки] другого .... Ибо из этого следует, что, если сила притяжения Земли будет с большей вероятностью распространяться на Луну и далеко за ее пределы, и, соответственно, что ничего, что хоть сколько-нибудь состоит из земного материала, не переносится высокий, никогда не ускользает от этой могущественной силы притяжения.[6]

Кеплер обсуждает гравитационное воздействие Луны на приливы следующим образом:[14][15]

Сфера притягательной силы луны простирается до земли и соблазняет воды; но поскольку луна быстро летит через зенит, а воды не могут следовать так быстро, поток океана возникает в жаркой зоне на западе. Если притягательная сила Луны простирается до Земли, то с большей причиной следует, что притягательная сила Земли простирается до Луны и намного дальше; и, короче говоря, ничто, состоящее из земной субстанции, каким-либо образом созданное, хотя и поднятое на любую высоту, никогда не может избежать мощного действия этой притягательной добродетели.

Кеплер также разъясняет концепцию легкости с точки зрения относительной плотности в противоположность аристотелевской концепции абсолютной природы или качества легкости следующим образом. Его аргумент можно легко применить сегодня к чему-то вроде полета воздушного шара.

Ничто, состоящее из телесной материи, не является абсолютно легким, но что-то сравнительно легче, что бывает реже, либо по своей природе, либо из-за случайного тепла. И не следует думать, что световые тела убегают на поверхность вселенной, пока их несут вверх, или что они не притягиваются землей. Их привлекают, но в меньшей степени, и поэтому их выталкивают наружу тяжелые тела; при этом они останавливаются и удерживаются землей на своем месте.[15]

Ссылаясь на дискуссию Кеплера о гравитации, Уолтер Уильям Брайант в своей книге делает следующее заявление: Кеплер (1920).

... Введение в «Комментарии к движению Марса» Кеплера, всегда считавшееся его наиболее ценной работой, должно быть, было известно Ньютону, так что ни один такой инцидент, как падение яблока, не требовалось для обеспечения необходимого и достаточного объяснение происхождения его теории всемирного тяготения. Взгляд Кеплера на такую ​​теорию мог быть не более чем проблеском, потому что он не пошел дальше с ней. Это кажется прискорбным, поскольку оно гораздо менее фантастично, 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 пропорционально массе тел, но считал, что оно имеет ограниченный диапазон, и не рассматривал, могла ли и как эта сила изменяться с расстоянием. Более того, это влечение действовало только между «родственными телами» - телами схожей природы, природу, которую он четко не определил.[16][17] Идея Кеплера значительно отличалась от более поздней концепции тяготения Ньютона, и ее «лучше рассматривать как эпизод в борьбе за гелиоцентризм чем как шаг к Вселенская гравитация."[18]

Кеплер отправил Галилео книгу, пока последний работал над своим Диалог о двух главных мировых системах (опубликовано в 1632 году, через два года после смерти Кеплера). Галилей пытался определить путь объекта, падающего из состояния покоя к центру Земли, но в своих расчетах использовал полукруглую орбиту.[19]

Поминовение

2009 год Международный год астрономии отмечает 400-летие публикации этой работы.[20]

Примечания

  1. ^ Греческий, αἰτιολογητός можно перевести как «объясненный, оправданный» (от αἰτιολογῶ «объясняю, оправдываю»), но он также объединяет два корня: αιτία «причина» и λόγος «причина». Обеспокоенность Кеплера причинами, как ясно показано в книге, указывает на то, что он имел в виду нечто более конкретное в названии, чем общие слова «оправдано» или «объяснено», поэтому название Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ можно понимать как «Новая астрономия, основанная на причинах». или «исходя из причин».
  2. ^ Здесь Г.В. это сиглум для "Generositas Vestra" см. Виньярчик, Марек (1995). Sigla Latina в libris Impressis Apperentia: cum siglorum graecorum appendice (2-е изд.). OCLC  168613439.
  3. ^ Voelkel, Джеймс Р. (2001). Состав астрономической новой Кеплера. Принстон: Princeton University Press. п. 1. ISBN  0-691-00738-1.
  4. ^ Кестлер, Артур (1990) [1959]. Лунатики: история меняющегося видения Вселенной человеком. Лондон: Книги о пингвинах. п.1. ISBN  0-14-019246-8.
  5. ^ Дрейер, Джон Луи Эмиль (1906). История планетных систем от Фалеса до Кеплера. Кембридж: Издательство университета. С. 401–2.
  6. ^ а б Кеплер, Иоганнес; Уильям Х. Донахью (2004). Отрывки из Astronomia Nova Кеплера. Санта-Фе: Green Lion Press. п. 1. ISBN  1-888009-28-4.
  7. ^ а б Кестлер, Артур (1990). Лунатики: история меняющегося видения Вселенной человеком. Лондон: Penguin Books. п.325. ISBN  0-14-019246-8.
  8. ^ Каспар, Макс (1993). Кеплер; перевод и изд. к К. Дорис Хеллман; с новым введением и ссылками Оуэна Джинджериха; библиографические цитаты Оуэна Джинджериха и Алена Сегондса. 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 меняющегося видения Вселенной человеком. Лондон: Penguin Books. п.338. ISBN  0-14-019246-8.
  11. ^ В его Astronomia nova, 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), п. 285. Отказавшись от круговой и овальной орбит, Кеплер пришел к выводу, что орбита Марса должна быть эллиптической. Сверху страницы 285: "Ergo ellipsis est Planetæ iter;…" (Таким образом, эллипс - это путь планеты [т.е. Марса];…) Далее на той же странице: «… Ut sequence capite patescet: ubi simul etiam manifestrabitur, nullam Planetæ relinqui figuram Orbitæ, præterquam perfecte ellipticam;…» (... как будет показано в следующей главе: где также будет доказано, что необходимо отказаться от любой фигуры на орбите планеты, кроме идеального эллипса; ...) А 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 Protheorema XI на страницах 289-290.
    Кеплер заявил, что все планеты движутся по эллиптическим орбитам, имея Солнце в одном фокусе: Иоганн Кеплер, Epitome Astronomiae Copernicanae [Краткое изложение астрономии Коперника] (Линц («Lentiis ad Danubium»), (Австрия): Иоганн Планк, 1622), книга 5, часть 1, III. De Figura Orbitura (III. На рисунке [т.е. форме] орбит), страницы 658-665. С п. 658: "Ellipsin fieri orbitam planetæ…" (Из эллипса образуется орбита планеты…). С п. 659: «… Подошва (Foco altero huius ellipsis)…» (… Солнце (другой фокус этого эллипса)…).
  12. ^ В его Astronomia nova … (1609 г.) Кеплер не представил свой второй закон в его современной форме. Он сделал это только в своем Воплощение of 1621. Кроме 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: "Caput XXXII. Virtutem quam Planetam movet in correcum attuari cum discessu a fonte." (Глава 32. Сила, которая перемещает планету по кругу, ослабевает с расстоянием от источника.) См .: Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), С. 165-167. На странице 167, Кеплер утверждает: «…, Quanto long est αδ quam αε, tanto diutius moratur Planeta in certo aliquo arcui excentrici apud δ, quam in quali arcu excentrici apud ε». (…, Поскольку αδ длиннее αε, планета будет оставаться на определенной дуге эксцентрика вблизи δ, чем на такой же дуге эксцентрика около ε.) То есть, чем дальше планета находится от Солнца ( в точке α), тем медленнее он движется по своей орбите, поэтому радиус от Солнца до планеты проходит через равные области за равное время. Однако, как представил Кеплер, его аргумент верен только для кругов, а не для эллипсов.
    • Его «региональный закон» представлен в: «Caput LIX. Demonstratio, quod orbita Martis,…, fiat perfecta ellipsis:…» (Глава 59. Доказательство того, что орбита Марса,… является идеальным эллипсом:…), Protheorema XIV и XV, С. 291-295. На верхней стр. 294, он гласит: "Arcum ellipseos, cujus moras metitur area AKN, debere terminari в LK, ut sit AM". (Дуга эллипса, продолжительность которой ограничена [т. Е. Измеряется] площадью AKM, должна заканчиваться в LK, так, чтобы она [т. Е. Дуга] была AM.) Другими словами, время, которое Марс требуется, чтобы двигаться по дуге AM его эллиптической орбиты, измеряется площадью сегмента AMN эллипса (где N - положение Солнца), которая, в свою очередь, пропорциональна сечению AKN круга, окружающего эллипс. и это касается его. Следовательно, площадь AMN, которая сметается по радиусу от Солнца к Марсу, когда Марс движется по дуге AM своей эллиптической орбиты, пропорциональна времени, которое Марсу требуется для движения по этой дуге. Таким образом, радиус от Солнца до Марса охватывает равные площади в равные времена.
    В 1621 году Кеплер вновь сформулировал 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, стр. 668. Со страницы 668: «Dictum quidem est in superioribus, divisa orbita in parriculas minutissimas æquales: accrescete iis moras planetæ per eas, в пропорции intervallorum inter eas & Solem». (Выше было сказано, что если орбита планеты разделена на наименьшие равные части, времена планеты в них увеличиваются в соотношении расстояний между ними и солнцем.) То есть скорость планеты вдоль его орбита обратно пропорциональна расстоянию от Солнца. (Оставшаяся часть абзаца ясно показывает, что Кеплер имел в виду то, что теперь называется угловой скоростью.)
  13. ^ Иоганн Кеплер, Harmonices Mundi [Гармония мира] (Линц, (Австрия): Иоганн Планк, 1619), п. 189. Снизу п. 189: "Sed res est certissima precisionissimaque quod" proportio qua est inter binorum quorumcunque Planetarum tempora periodica, сидеть præcise sesquialtera ratiois mediarum distantiarum,… " (Но совершенно точно и точно, что Пропорция периодов времени любых двух планет - это в точности полуторная [то есть отношение 3: 2] их средних расстояний,… ")
    Английский перевод книги Кеплера Harmonices Mundi доступно как: Иоганн Кеплер с Э. Дж. Айтоном, А. М. Дунканом и Дж. В. Филд, пер., Гармония мира (Филадельфия, Пенсильвания: Американское философское общество, 1997); особенно видеть п. 411.
  14. ^ Иоганн Кеплер, Astronomia nova … (1609), с. 5 из Введение в hoc opus (Введение в эту работу). Со страницы 5: "Orbis virtutis tractoriæ, quæ est in Luna, porrigitur utque ad Terras, & prolectat aquas sub Zonam Torridam,… Celeriter vero Luna verticem transvolante, cum aquæ tam celeriter sequi non Possible, fluxus quidem fit Oceani sub Torrida in Occidentem, ..." (Сфера подъемной силы, которая [центрирована] в Луне, простирается до земли и притягивает воды под жаркой зоной ... Однако Луна быстро летит через зенит, потому что воды не могут следовать за ней. быстро, океан под жаркой [зоной] действительно идет к западу,…)
  15. ^ а б c Брайант, Уолтер Уильям (1920), Кеплер, Пионеры прогресса: люди науки, Лондон: Общество распространения христианских знаний, п.36 
  16. ^ Стивенсон, Брюс (1994), Физическая астрономия Кеплера, Princeton: Princeton University Press, стр. 4–6, ISBN  0-691-03652-7
  17. ^ Койре, Александр (1973), Астрономическая революция: Коперник, Кеплер, Борелли, Итака, штат Нью-Йорк: Издательство Корнельского университета, стр. 194–5, ISBN  0-8014-0504-1
  18. ^ Стивенсон, Брюс (1994), Физическая астрономия Кеплера, Princeton: 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. ISBN  0-691-02350-6.
  20. ^ «Международный год астрономии и Иоганна Кеплера». Миссия Кеплера. Архивировано из оригинал 8 сентября 2008 г.. Получено 9 января 2009.

Рекомендации

внешняя ссылка