Johannes Kepler – naukowy rewolucjonista, który pokazał nam, czym jest mechanika nieba

Spis treści:

1. Syn żołnierza i zielarki
2. Kepler, wierny uczeń Kopernika
3. Prawa ruchu planet
4. Kepler – pisarz science fiction

Odkrycia Johannesa Keplera położyły fundamenty pod nowoczesną mechanikę nieba i były iskrą rozpalającą potrzebę poznawania kosmosu. Połączenie zaawansowanej matematyki z odważną wyobraźnią Keplera sprawiły, że jego dorobek do dziś inspiruje naukowców i myślicieli na całym świecie.

Syn żołnierza i zielarki

Ten przyszły matematyk, astronom i astrolog przyszedł na świat 27 grudnia 1571 roku w miasteczku Weil der Stadt w Badenii-Wirtembergii. Miasteczko obecnie znajduje się w pobliżu Stuttgartu w Niemczech. Jego ojciec, będący żołnierzem najemnym, porzucił rodzinę, gdy Johannes miał zaledwie pięć lat. Od tej pory chłopiec był wychowywany przez parającą się zielarstwem matkę oraz przez dziadków. Zielarstwo matki przyniosło rodzinie kolejne problemy. W tamtych czasach zielarki często oskarżano o czary, co było prostą drogą do zakończenia życia na stosie.

Mały Johann był dzieckiem chorowitym i słabym. Przebyta ospa pozostawiła u niego trwałe skutki. Miał zdeformowane dłonie i uszkodzony wzrok. Zainteresowania matematyczne zaczął wykazywać wyjątkowo szybko. Był też świadkiem dwóch zjawisk astronomicznych, które rozbudziły jego zainteresowanie kosmosem. W 1577 roku widział tzw. Wielką Kometę. Była to bardzo jasna, wręcz spektakularna kometa widoczna gołym okiem w Europie jesienią 1577 i wczesną zimą 1578 roku. Obserwował ją też Tycho Brahe, przyszły mentor i przyjaciel Keplera. Brahe użył poczynionych obserwacji do udowodnienia, że komety nie są zjawiskami atmosferycznymi, lecz znajdują się poza orbitą Księżyca. Tym samym obalił geocentryczne poglądy Arystotelesa. Młody Kepler był również świadkiem zaćmienia Księżyca w 1580 roku.

Kepler, wierny uczeń Kopernika

Mimo trudnej sytuacji finansowej rodziny, inteligencja Keplera została dostrzeżona bardzo wcześnie. Uczęszczał do szkoły lokalnej, następnie do protestanckiego seminarium (Stift) w Maulbronn, a później studiował na Uniwersytecie w Tybindze. Tam jego nauczycielem był Michael Maestlin – matematyk, który zapoznał go z systemem kopernikańskim, zakładającym, że to Słońce, a nie Ziemia, znajduje się w centrum Wszechświata. Teoria heliocentryczna wywarła ogromny wpływ na sposób myślenia Keplera i jego przyszłe badania.

Po ukończeniu studiów przyjął posadę matematyka na austriackim uniwersytecie w Grazu. Ale w 1600 roku doszło do najbardziej znaczącego spotkania w jego życiu. Kepler wyjechał do Pragi, gdzie została mu zaoferowana posada asystenta wspomnianego już Tychona Brahe. Brahe był wówczas nadwornym matematykiem cesarza Rudolfa II Habsburga. Wcześniej astronomowie znali się tylko korespondencyjnie.

Początkowo Brahe odnosił się do Keplera z rezerwą. Niechętnie udostępniał mu swoje dane, a relacja między nimi była napięta. Z czasem jednak dostrzegł wyjątkowe zdolności matematyczne Keplera. Ich współpraca, która wywarła na Keplera tak duży wpływ, nie trwała jednak długo. Duński astronom zmarł w 1601 roku. Jednak to właśnie Kepler odziedziczył po nim to, co najważniejsze: jego bezcenne dane obserwacyjne, które umożliwiły mu sformułowanie praw ruchu planet. Odziedziczył również posadę nadwornego astronoma cesarza.

Prawa ruchu planet

Na podstawie odziedziczonych notatek Kepler mógł wyznaczyć graficznie orbitę Marsa. Po wieloletnich obliczeniach doszedł do wniosku, że najwłaściwszą krzywą jest elipsa, co znalazło odbicie w treści pierwszego prawa, które mówi, że „każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po orbicie w kształcie elipsy, w której w jednym z ognisk jest Słońce”. To odkrycie datuje się na rok 1605.

Już cztery lata wcześniej, w 1601 roku, Kepler dostrzegł zależność znaną dzisiaj jako drugie prawo ruchu planet. Mówi ono: „W różnych odstępach czasu promień wodzący planety, poprowadzony od Słońca, zakreśla równie pola”. Innymi słowy w peryhelium, czyli w pobliżu Słońca, planety poruszają się szybciej niż w aphelium, tj. daleko od Słońca. I tak na przykład prędkość liniowa Ziemi w peryhelium wynosi 30,3 km/s, w aphelium – 29,3 km/s, dlatego lato (aphelium ok. 3 lipca) jest nieco dłuższe od zimy (peryhelium ok. 3 stycznia).

Trzecie prawo Kepler odkrył dopiero w roku 1618. Mówi ono, że „stosunek kwadratu okresu obiegu planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej orbity (czyli średniej odległości od Słońca) jest stały dla wszystkich planet w Układzie Słonecznym”. Czyli im większa orbita, tym dłuższy czas obiegu planety, a prędkość liniowa na orbicie jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka promienia orbity.

Powyższe prawa utwierdziły model kopernikański. Kepler był gorącym orędownikiem teorii heliocentrycznej, bronił jej zarówno w ujęciu matematycznym, jak i teologicznym.

Kepler – pisarz science fiction

Życie prywatne Keplera było pełne problemów finansowych i śmierci. Pierwszą żoną astronoma była Barbarą Müller, z którą ożenił się w 1597 roku. Müller była zamożną wdową po właścicielu młyna w Grazu. Małżeństwo miało charakter praktyczny. Związek nie był szczęśliwy, a między małżonkami często dochodziło do spięć. Barbara zmarła w 1611 roku, prawdopodobnie na tyfus lub inną chorobę zakaźną.

Dwa lata po śmierci Barbary Johannes pojął za żonę Susannę Reuttinger. To małżeństwo było znacznie bardziej udane. Susanna była osobą praktyczną i zaradną. Wspierała Keplera w codziennym życiu i pomagała prowadzić dom mimo ciągłych problemów finansowych. A te nie opuszczały matematyka aż do śmierci. Często, aby ratować domowy budżet, Kepler sporządzał na zamówienie horoskopy. Choć z naszej perspektywy wydaje się to dziwne, to w XVII wieku granica między astronomią a astrologią był mniej niż umowna.

Co ciekawe Kepler mieszkał przez pewien czas na obecnych terenach polskich, konkretnie w Żaganiu nieopodal Zielonej Góry. To tam napisał „Sen”, dzieło do dziś uznawane za jedną z pierwszych powieści science-fiction. Kepler zmarł 15 listopada 1630 roku w Ratyzbonie.

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.