Generel

Revolutionen af ​​planetarisk bevægelse: Johannes Keplers banebrydende arbejde revideret


Det natlige skuespil af en lyseblå himmel, der falmer ud for at afsløre et skjult panorama af stjerner, har fængslet blikket fra både gamle og unge, så længe mennesker har vandret jorden. Lige så længe har tidens lyseste sind forsøgt at studere stjernerne, månen og solen. Nogle af de ældste arkæologiske steder fra vores forgængere var indviklet i at kortlægge himmellegemers bevægelse, hvilket gjorde astronomi til den ældste af naturvidenskaberne.

Vores forfædre var ikke mindre intelligente end vi er i dag, og få figurer i astronomi står lige så tydeligt som Johannes Kepler, der udarbejdede de love, der styrede planetenes bevægelse omkring solen uden så meget som et teleskop for at hjælpe ham. For at fejre hans død gentager vi hans entydige bidrag til videnskaben, der styrer himlen: Keplers Three Laws of Planetary Motion.

Med intet andet end de data, der blev indsamlet af hans bemærkelsesværdigt farverige - og bemærkelsesværdigt strålende - mentor, Tycho Brahe, opdagede Kepler matematikken, der forklarede den specielle bevægelse af planeterne på nattehimlen, og ved at gøre det den nøjagtige natur af deres baner omkring solen. Det var længe blevet observeret, at nogle planeter ser ud til at bevæge sig bagud på himlen på bestemte tidspunkter og udføre en slags backtracking snarere end en lige og stabil transit.

Astronomer, der arbejder med den gamle geocentriske model af solsystemet, måtte udtænke mere og mere komplicerede forklaringer på denne adfærd, som de kaldte epicykler - eller cirkler i cirkler. Kepler fortsatte med at vise, at dette ikke skyldtes, at planeterne havde anden eller tredje kredsløb, men ved at have elliptiske kredsløb og køre med variable hastigheder, når de kredser om solen.

Planlægning af jordens bane fra baghaven

Okay, måske ikke baghaven præcist, men tæt nok. Kepler opdagede lovene om planetarisk bevægelse uden hjælp fra teleskopet og arbejdede udelukkende ud fra Brahes astrologiske optegnelser og offentliggjorde de to første love i 1609, mindre end et år efter, at det første kendte teleskop blev produceret i Europa. Han var i stand til at gøre dette med intet andet end den samme trigonometri, som de fleste af os lærte i gymnasiet.

Ved at bruge Solen som et punkt i trekanten, Jorden som det andet og Mars - Marsåret var kendt på det tidspunkt - som det tredje, var Kepler i stand til at beregne den sande bane på jorden omkring solen samt anden information om dens bevægelse ved at beregne vinklen mellem Solen og Mars i forhold til Jorden med jævne mellemrum. Fra dette overraskende enkle, hvis omhyggelige arbejde, var Kepler i stand til at afdække den matematik, der den dag i dag kan bruges til at bestemme bevægelsen af ​​alle slags himmellegemer i universet med bemærkelsesværdig nøjagtighed.

Keplers første lov: Loven om baner

Den første af Keplers love om planetarisk bevægelse siger, at alle planeter bevæger sig i elliptiske kredsløb, med solen ved et af ellipsens to fokuspunkter. Med denne lov introducerede Kepler mange af de rudimentære begreber i moderne astronomi, såsom periheliet og aphelionen på en planets bane, og ikke kun var Kepler den første til at opdage den sande natur af planetbaner, han var i stand til at udlede matematikken, der styrede dem.

Denne opdagelse var ikke den første til at konstatere, at Jorden drejede sig om Solen. Denne teori blev foreslået af Copernicus årtier tidligere, men Keplers første lov fastslog denne kendsgerning med data, der beviste dette utvetydigt. Hvad mere er, Keplers første lov beskriver ikke kun planeternes bane omkring solen, men også himmellegemer, der kredser om en anden.

De lange, smalle kredsløb om mange kometer omkring solen kan beskrives nøjagtigt ved hjælp af denne lov, ligesom interstellare genstande fanget i en stjernes tyngdekraft, men som ikke "lukker" ellipsen og i stedet danner en åben hyperbol og flyver af og ud af stjernens tyngdekraft. Keplers første lov kan endda nøjagtigt beskrive kredsløb om stjerner omkring det sorte hul i kernen af ​​vores galakse.

Det siger sig selv, at dette var en radikal idé for de eksisterende magter på det tidspunkt. Hierarkiet i den katolske kirke kæmpede hårdt for at undertrykke sådanne ideer, da de var i modstrid med Bibelens tekst og derved truer deres påstand som den centrale sandhedskilde om universet, men Keplers opdagelser talte for sig selv, og deres sandhed var tydelig for alle, der havde uddannelse for at forstå dem. Efter Kepler blev den geocentriske model af solsystemet færdig.

Keplers anden lov: Områdeloven

Keplers anden lov om planetarisk bevægelse siger, at den imaginære linje med solen i den ene ende og jorden i den anden vil feje over lige områder på lige tid. Hvad dette betyder er, at da Jorden nærmede sig periheliet i sin bane omkring Solen, kom den hurtigere, og da den nærmede sig aphelionen i sin bane, bremsede den op - alt sammen på en regelmæssig, forudsigelig måde. Denne og Keplers tredje lov tilsammen sluttede behovet for epicykler for at forstå den "uregelmæssige" bevægelse af planeter. Hvad mere er, Keplers anden lov var at lægge grunden til meget af Newtons lov om bevægelse og lov om universel tyngdekraft.

Keplers tredje lov: Periodenes lov

Keplers tredje lov siger, at firkanten af ​​planetens omløbstid er proportional med terningen af ​​den gennemsnitlige afstand fra solen, hvilket er lig med halvdelen af ​​summen af ​​en planet afstand fra solen ved perihelion og aphelion. Denne lov kom næsten et årti efter de første to love blev offentliggjort og giver os mulighed for at beregne den gennemsnitlige afstand fra en planet til den stjerne, den kredser om, hvis vi kender længden af ​​planetens omløbstid. Det omvendte er også sandt, at vi kan bestemme længden af ​​en planets år, hvis vi ved, at det er middel afstand fra dens stjerne.

Dette er især nyttigt, når man studerer eksoplaneter, da det er let at beregne en planets periode, men umuligt at fortælle, hvor tæt den er på dens stjerne, da vi kun kan se en exoplanet, når den passerer foran moderstjernen. Dette forhold mellem periode og gennemsnitlig afstand er også afgørende for beregning af baner for satellitter og rumfartøjer, når de rejser til andre planeter, hvilket muliggør interplanetarisk udforskning.

Keplers indvirkning på den videnskabelige revolution

Uden tvivl udgjorde Kepler's Laws of Planetary Motion et startpunkt for Isaac Newtons arbejde, det lyseste lys i Europas videnskabelige revolution i det 17. århundrede. Det var Newtons bestræbelse på at finde ud af, hvorfor Keplers love var korrekte - at opdage hvorfor til Keplers hvordan - at han var i stand til at opfinde fysik, som vi kender den: Loven om universel tyngdekraft, lovene om bevægelse, der styrede alt fra bevægelse af planeter til en sten kastet i luften såvel som beregningen, der var nødvendig for at beskrive hans fund.

Dette revolutionerende arbejde ville bevise grundlaget for utallige opdagelser inden for videnskaberne og fremmede menneskehedens viden på måder, som selv Newton ikke kunne have forestillet sig. Kernen i det hele var dog Kepler og hans skud af registrerede observationer, der flammede det usandsynlige spor for alt, hvad der skulle komme.


Se videoen: Keplers Laws (September 2021).