Введение
Книга Иоганна Кеплера «Астрономия новая» (англ. New Astronomy, полное название на латыни: Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ seu physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex observationibus G. V. Tychonis Brahe) – книга, опубликованная в 1609 году, содержащая результаты десятилетнего исследования астронома Иоганна Кеплера движения Марса. Одна из важнейших книг в истории астрономии, «Астрономия Нова» представила веские аргументы в пользу гелиоцентрической системы и внесла значительный вклад в понимание движения планет, включая первое описание эллиптических орбит планет и изменение представления об их движении с движения объектов на вращающихся сферах на движение свободно парящих тел. Она признана одним из ключевых трудов научной революции.
Astronomia nova (English: New Astronomy, full title in original Latin: Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ seu physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex observationibus G. V. Tychonis Brahe) is a book, published in 1609, that contains the results of the astronomer Johannes Kepler's ten year long investigation of the motion of Mars. One of the most significant books in the history of astronomy, the Astronomia nova provided strong arguments for heliocentrism and contributed valuable insight into the movement of the planets. This included the first mention of the planets' elliptical paths and the change of their movement to the movement of free floating bodies as opposed to objects on rotating spheres. It is recognized as one of the most important works of the Scientific Revolution.
Предыстория
До Кеплера Николай Коперник в 1543 году выдвинул предположение, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Коперникова модель Солнечной системы рассматривалась скорее как инструмент для объяснения наблюдаемых положений планет, а не как физическое описание. Кеплер стремился найти и предложить физические причины движения планет. Его работа в основном базируется на исследованиях его наставника Тихо Браге. Несмотря на тесное сотрудничество, их отношения были сложными. Тем не менее, в 1601 году, на смертном одре, Браге попросил Кеплера убедиться, что его жизнь не прошла напрасно, и продолжить развитие его модели Солнечной системы. Вместо этого Кеплер написал труд «Астрономия Новая», в котором отверг Тихоническую систему, а также Птолемеевскую и Коперниковую системы. Некоторые исследователи предполагают, что неприязнь Кеплера к Браге могла повлиять на его отказ от Тихонической системы и создание новой. К 1602 году Кеплер приступил к определению траектории орбиты Марса, сообщая Дэвиду Фабрициусу о своих успехах. К началу 1604 года он предложил Фабрициусу возможность овальной орбиты, однако ему не поверили. Позднее в том же году Кеплер ответил, сообщив об открытии эллиптической орбиты Марса. Рукопись «Астрономии Новой» была завершена к сентябрю 1607 года, а опубликована – к августу 1609 года.
Структура и резюме
На английском языке полное название его работы — «Новая астрономия, основанная на причинах, или небесная физика, рассматриваемая посредством комментариев к движениям звезды Марса, основанных на наблюдениях Тихо Браге, джентльмена». На протяжении более чем 650 страниц (в английском переводе) Кеплер шаг за шагом ведет своих читателей по пути своих открытий. Обсуждение Священного Писания во введении к «Астрономии новой» было самым широко распространенным из трудов Кеплера в семнадцатом веке. Во введении изложены четыре шага, которые Кеплер предпринял в ходе своих исследований. Первый шаг — это его утверждение, что само Солнце, а не какая-либо воображаемая точка вблизи Солнца (как в системе Коперника), является точкой, в которой пересекаются все плоскости эксцентриков планет, или центром орбит планет. Второй шаг заключается в том, что Кеплер помещает Солнце в центр и в качестве движущей силы других планет. Этот шаг также содержит ответ Кеплера на возражения против размещения Солнца в центре Вселенной, включая возражения, основанные на Священном Писании. В ответ на библейские тексты он утверждает, что они не предназначены для установления физических догм, и их содержание следует понимать духовно. На третьем шаге он постулирует, что Солнце является источником движения всех планет, используя доказательство Браге, основанное на кометах, о том, что планеты не вращаются по сферам. Четвертый шаг состоит в описании траектории планет не как круга, а как овала. С началом собственно «Астрономии новой» Кеплер демонстрирует, что тихоническая, птолемеевская и коперниканская системы неразличимы, основываясь только на наблюдениях. Эти три модели предсказывают одинаковые положения планет в ближайшем будущем, хотя они расходятся с историческими наблюдениями и не способны предсказать будущие положения планет с небольшой, но вполне измеримой точностью. Здесь Кеплер представляет свою знаменитую диаграмму движения Марса относительно Земли, если бы Земля оставалась неподвижной в центре своей орбиты. Диаграмма показывает, что орбита Марса была бы совершенно несовершенной и никогда не следовала бы одним и тем же путем. Кеплер подробно обсуждает всю свою работу на протяжении всей книги. Он касается этой длины в шестнадцатой главе: «Если ты устал от этого утомительного метода вычислений, посочувствуй мне, которому пришлось повторить его по крайней мере семьдесят раз, с огромной потерей времени». Кеплер, в очень важном шаге, также ставит под сомнение предположение о том, что планеты движутся вокруг центра своей орбиты с равномерной скоростью. Он обнаруживает, что вычисление критических измерений, основанных на фактическом положении Солнца в небе, а не на «среднем» положении Солнца, вносит значительную степень неопределенности в модели, открывая путь для дальнейших исследований. Идея о том, что планеты движутся не с равномерной скоростью, а со скоростью, которая меняется в зависимости от их расстояния от Солнца, была совершенно революционной и стала его вторым законом (открытым раньше первого). Кеплер, в своих расчетах, приведших ко второму закону, допустил несколько математических ошибок, которые, к счастью, компенсировали друг друга «как будто по чуду». Иронично, но он уже получил это решение тригонометрически за много месяцев до этого. Как он говорит: «Я отложил [исходное уравнение] в сторону и вернулся к эллипсам, полагая, что это совершенно другая гипотеза, тогда как, как я докажу в следующей главе, они одна и та же. Ах, какой же я глупый!»
If thou art bored with this wearisome method of calculation, take pity on me, who had to go through with at least seventy repetitions of it, at a very great loss of time. Kepler, in a very important step, also questions the assumption that the planets move around the center of their orbit at a uniform rate. He finds that computing critical measurements based upon the Sun's actual position in the sky, instead of the Sun's "mean" position injects a significant degree of uncertainty into the models, opening the path for further investigations. The idea that the planets do not move at a uniform rate, but at a speed that varies as their distance from the Sun, was completely revolutionary and would become his second law (discovered before his first). Kepler, in his calculations leading to his second law, made multiple mathematical errors, which luckily cancelled each other out “as if by miracle.” Ironically, he had already derived this solution trigonometrically many months earlier. As he says,
I laid [the original equation] aside, and fell back on ellipses, believing that this was quite a different hypothesis, whereas the two, as I shall prove in the next chapter, are one in the same Ah, what a foolish bird I have been!
Празднование
В 2009 году, в Международный год астрономии, отмечался 400-летний юбилей публикации этой работы.