Эдуардо Лопец - Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.

В одном из писем Лонгомонтану (1562-1647), одному из старых помощников Тихо Браге, Кеплер так объяснял свое дерзкое желание объединить физику и астрономию: «Эти науки столь тесно связаны между собой, что никакая из них не может достичь совершенства без другой». Обратите внимание: ученый говорит не только о том, что нет астрономии без физики, но и о том, что нет физики без астрономии. Мёстлин советовал своему бывшему ученику, чтобы тот оставил идею поиска физических гипотез и сконцентрировался на чисто астрономических вопросах. Однако Кеплер мыслил шире, и в результате Мёстлин был вынужден прервать их длительную переписку, заявив, что даже если предположить, что теории его бывшего студента восхитительны, он больше не способен их понять.

Марк Каспар, один из лучших биографов Кеплера, не без оснований считает, что этот ученый достоин звания основателя небесной механики. Удивительно, что к своим выводам он пришел, озаряя свой путь мистическим светом религиозного разума. Ход размышлений Кеплера можно свести к следующему: Солнце является центром Вселенной, и от него исходит сила, которая приводит планеты в движение. Эта сила уменьшается при отдалении от Солнца.

Кеплер объяснял, как движутся планеты, воодушевляясь мыслью, что мощный источник этого движения должен располагаться в самом центре мира. В соответствии со своей гипотезой он предлагал причины, по которым планеты, отдаленные от Солнца, движутся медленнее и почему в перигелии планеты движутся быстрее, чем в афелии.

В соответствии с этой идеей можно было подумать, что силу тяготения создают не все тела, а только Солнце. Однако этот же принцип Кеплер применил, чтобы понять движение Луны вокруг Земли, причем в этом случае источником силы считалась именно Земля. «Существует на Земле сила, которая воздействует на Луну». Эта сила ослабляется на расстоянии, так же как и сила, исходящая от Солнца. Следовательно, скорость Луны тоже непостоянна: она движется быстрее в перигее и медленнее в апогее.

Как ослабляется сила, с которой Солнце воздействует на планеты, в зависимости от расстояния? Кеплер не дал точного ответа на этот вопрос, но сказал, что эта сила рассеивается таким же образом, как рассеивается свет при удалении от источника излучения, а затем показал, что световой поток угасает пропорционально обратному квадрату расстояния. Но это еще не все. В письме своему другу Фабрициусу в 1605 году Кеплер сказал:

«Если поместить камень вне Земли и считать, что ни один из них не имеет никакого дополнительного движения, тогда не только камень ускорится по направлению к Земле, но и Земля по отношению к камню; они разделят пространство, которое находится между ними, обратно пропорционально их весам».

Здесь так и маячит тень третьего закона Ньютона. Кроме того, видно, что эта сила, пока безымянная, но которая вскоре получит название, может иметь источником не только Солнце и не только Землю, но даже ничтожный камень.

Более того, в другом своем письме ученый выдвигает мысль, что сопротивление при движении планеты пропорционально ее массе, однако данных о массе планет в то время не хватало, и он не смог развить свою догадку.

Итак, мы рассказали об удивительном сходстве теорий и предчувствий Кеплера с ньютоновской идеей тяготения. Теперь остановимся на их различиях. Тяготение, которое, согласно Ньютону, создает Солнце, образуется его массой. Кеплер думал, что, помимо массы, влияние оказывает и вращение. Если бы Солнце вращалось, то это вращение заставляло бы вращаться планеты, особенно ближайшие. Так считал Кеплер, пока не узнал, что Солнце действительно вращается, – это выяснилось в ходе наблюдений за солнечными пятнами – однако воздействие этого вращения на Землю и планеты отличается от догадок ученого.

Представим себе Кеплера, который рассчитывает квадрат периода обращения Солнца вокруг самого себя, возводит его в квадрат и сравнивает результат с кубом радиуса Солнца, чтобы увидеть, действует ли его третий закон для поверхности Солнца. В этом случае ученый увидел бы, что его закон не действует, хотя это и не означало, что он несостоятелен.

Какова природа «силы притяжения» в модели Кеплера? Он не говорил о ее магнетическом характере, но подозревал, что эта сила была того же рода и могла передаваться без явной материальной среды. Кеплер прекрасно знал о великой работе английского физика Уильяма Гильберта (1544-1603), опубликованной в 1600 году, название которой можно перевести с латыни как «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле».

Существует выражение, что «самым большим открытием Ньютона было обнаружить законы Кеплера среди кучи его бумаг». Эта забавная фраза не так уж безосновательна, поскольку законы Кеплера были ясно описаны в двух его самых известных книгах, Astronomia nova и Harmonices mundi.

Но если бы Ньютон и решил тщательно изучить архив Кеплера, чтобы понять, как тот пришел к своим законам, англичанин столкнулся бы с немалыми трудностями. Все рассуждения немецкого ученого были не только написаны витиеватым языком, но и рассеяны во множестве писем. Прежде чем добраться до аргументов и уточнений, которые привели Кеплера к истине, Ньютону пришлось бы преодолеть и ошибки ученого, которые тот описывал со всей тщательностью. Ньютон имел доступ только к открытой части наследия Кеплера, но не к его частной переписке.

Известно, что сын Кеплера, Людвиг, привез записи отца в Кёнигсберг. После его смерти архив у наследников выкупил Ян Гевелий, а затем бумаги хранились в Лейпциге, Вене, Франкфурте… Наконец, они по совету Леонарда Эйлера были приобретены Екатериной II и осели в обсерватории Пулково, в Санкт-Петербурге, где и хранятся до сих пор. Вряд ли Ньютон имел доступ к этим бумагам.

Кеплер даже предложил магнетическую теорию, абсолютно ошибочную и не имеющую никакого значения для современной концепции движения планет. Согласно Кеплеру, Солнце притягивало земной магнит, ориентируя его положительный полюс в направлении Солнца, ускоряя планету от афелия к перигелию и замедляя от перигелия к афелию.

Также Кеплер говорил о приливах и отливах, которые являются дифференциальным вращением, при котором разные участки планеты вращаются вокруг общей оси вращения с различной угловой скоростью. Земные приливы и отливы больше связаны с Луной, потому что, находясь близко, она создает разное тяготение в различных точках Земли. Солнце воздействует на Землю с большей силой, однако меньше, чем Луна, вызывает дифференциальное вращение. В книге Somnium («Сон, или Лунная астрономия») Кеплер рассказывает о двух потоках воды на Луне под действием общих приливов и отливов, создаваемых Землей и Солнцем.