Tài liệu Định luật của Kepler doc

Ông nổi tiếng nhất về định luật về chuyển động thiên thể, dựa trên những công trình của ông Thiên văn mới Astronomia nova, Thế giới hài hoà Harmonice Mundi và cuốn sách giáo khoa Tóm tắt

Johannes Kepler (27 tháng 12, 1571 – 15 tháng 11, 1630), một

gương mặt quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học, là một nhà toán học, nhà chiêm tinh học, nhà thiên văn học, và là một nhà văn ở buổi đầu của những truyện khoa học viễn tưởng người Đức Ông nổi tiếng nhất về định luật về chuyển động thiên thể, dựa trên những công trình của ông Thiên văn mới (Astronomia nova), Thế giới hài hoà (Harmonice Mundi) và cuốn sách giáo khoa Tóm tắt thiên văn học Copernicus

Xuyên suốt cuộc đời nghề nghiệp của mình, Kepler là một giáo viên toán ở trường dòng Graz (sau này là trường đại học Graz), là người trợ lý cho Tycho Brahe, là nhà toán học ở triều đình Hoàng

đế Rudolf II, giáo viên toán ở Linz, và là nhà thiên văn học của Tướng Wallenstein Ông cũng thực hiện một công việc mang tính nền tảng về thị giác và giúp đưa vào thực hiện những phát hiện kính thiên văn của người cùng thời với ông là Galileo Galilei

Thỉnh thoảng ông cũng được coi là "nhà vật lý học thiên thể lý thuyết đầu tiên", mặc dù Carl Sagan cũng coi ông là nhà chiêm tinh học khoa học cuối cùng

Ở trường, Kepler học hành hết sức xuất sắc, học được các nguyên lý của Copernicus và cuối cùng từ bỏ việc học tập tôn giáo, mà muốn trở thành một giáo sư khoa học Tuy vậy, Kepler bao giờ cũng giữ nguyên một loại chủ nghĩa thần bí tôn giáo, và trộn lẫn nó với những bước tiến khoa học vĩ đại của ông Chẳng hạn, ông dành nhiều thời giờ ra

để cố trình bày tỉ mỉ những thuyết về âm nhạc của các mặt cầu

Ông cũng là một nhà chiêm tinh «tài năng», từng lấy lá số

tử vi cho nhiều nhân vật quan trọng Ông khá xấu hổ về chuyện đó, nhưng giải thích rằng cần thiết phải làm như vậy để cho những người có thế lực chú ý tới ông, có thể giúp đỡ và che chở cho ông trong những lúc gian khó, gặp chuyện rắc rồi Về phương diện này, ông quả đã nghĩ đúng, bởi vì có nhiều lần ông gặp khó khăn rắc rồi thực sự

(Ông cũng viết một truyện khoa học viễn tưởng xuất sắc về một chuyến du hành lên Mặt Trăng, tuy nhiên sau khi ông qua đời mới được xuất bản Có lẽ ông cũng xấu hổ về điều

đó nữa)

Những chuyện náo động về tôn giáo làm ông rời bỏ thành phố mà ông vốn là giáo sư giảng dạy ở đó Ông tới Prague, làm việc ở đấy với Tycho Brahe Chẳng bao lâu Tycho qua đời, chàng thanh niên Kepler kế tục vị trí của Tycho Tất cả những quan sát xuất sắc của Tycho về những thiên thể giờ đây nằm trong tay Kepler Kepler hăng say bắt tay vào công việc Các quan sát đó không chỉ tốt đến mức thuyết không chính xác của Ptolemy không phù hợp với chúng, mà còn tốt đến mức cả thuyết Copernicus cũng không phù hợp Thậm chí hệ Copernicus cũng trở nên không đủ tốt đẹp (1)

Kepler từng nỗ lực thế nào để sắp xếp chính đạo và các ngoại luân thì không có gì quan trọng, ông chẳng thể nào làm cho đường cong được ông tính toán rút cục phù hợp với các vị trí của Sao Hỏa mà Tycho đã từng quan sát Vậy Kepler bắt buộc mình phải tiến một bước táo bạo và

cơ bản, về một số mặt bước đó còn táo bạo hơn cả bước tiến của Copernicus Kepler đã đập tan tành «người Hy Lạp» !

Ông từ bỏ đường tròn Đường cong dù hoàn hảo hay không mà không thích hợp, cũng phải bỏ đi thôi (Bản thân Tycho cũng thực sự ngạc nhiên vì sao chổi do ông quan sát sao lại chuyển động theo một quỹ đạo không phải là tròn) Tuy vậy, vào thời đó, các sao chổi không được thực

sự coi là những thiên thể đáng kể Sự dũng cảm của Kepler là từ bỏ đường tròn đối với các hành tinh

Kepler bắt đầu tìm kiếm một đường cong nào đó, khác đường tòn, giải thích được các chuyển động hành tinh một cách tốt đẹp hơn Thoạt tiên, ông thử dùng một quỹ đạo hình trứng, nhưng không thấy thích hợp Tiếp theo, ông thử dùng hình elip, làm một loại đường tròn bị dẹt đi.»

Kepler đã đưa hình elip ra thử cho quỹ đạo của các hành tinh và thấy rằng các elip khít với mọi quỹ đạo

«Một khi Kepler đã chuyển từ các đường tròn sang các elip, ông thấy không cần đến các ngoại luân 1 chút nào nữa Không cần một ngoại luân nào ! Mỗi hành tinh đều chuyển động xung quanh Mặt Trời, còn Mặt Trăng thì chuyển động xung quanh Trái Đất»

Năm 1609, Kepler đã xuất bản tác phẩm «Astronomia

Nova» (Thiên văn mới), trong đó trình bày định luật Kepler I

và II 10 năm sau, Kepler xuất bản tác phẩm «Harmonices

Mundi» (Sự hài hòa giữa các thế giới), trong đó trình bày

định luật Kepler III

«Các quỹ đạo elip của Kepler rút cục đã loại bỏ các thiên cầu và chứng tỏ ý kiến của Bruno về các thiên cầu là đúng

Về chuyện đó, Kepler không bị thiêu trên giàn hỏa thiêu, song ông cũng gặp những chuyện rắc rối Người che chở cho ông, hoàng đế Rudolf II đã bị phế truất và một cuộc chiến tranh tôn giáo khủng khiếp, lớn lao (cuộc chiến tranh

30 năm) đã bùng nổ ở Đức Là một người Tin Lành, Kepler thuộc về phía thua trận, ít nhất là cũng trong thời kỳ đầu của cuộc chiến tranh, và không ít thì nhiều lâm vào tình cảnh nguy hiểm mẹ ông bị bắt vì bị buộc tội phù thủy Tuy cuối cùng bà được tha, nhưng vì thử thách ấy bà qua đời hầu như tức khắc sau đó

Trải qua tất cả những cảnh đó, Kepler nỗ lực làm việc, trước tiên là làm một luận văn lớn về thiên văn, mà rồi ông phải từ bỏ, rồi đến một loạt các bảng mới vè vị trí và chuyển động của những thiên thể Những bảng này được tính toán căn cứ ở các quan sát của của Tycho và căn cứ

ở các thuyết của Kepler về những quỹ đạo elip Ông gọi chúng là các bảng Rudolphine, đặt theo tên người che chở

cũ cho ông, hoàng đế Rudolf Dù sao, chúng cũng là tốt nhất và cuối cùng được xuất bản vào năm 1627 Ba năm sau, năm 1630, Kepler qua đời

Định luật của Kepler

Bài chi tiết: Những định luật của Kepler về chuyển động thiên thể

Tổng quan 3 định luật của Kepler

Kepler được thừa kế từ Tycho Brahe một gia sản những dữ liệu thô chính xác nhất từng thu thập được về vị trí của các hành tinh

Điều khó khăn là phải phán đoán được từ đó Các chuyển động

quỹ đạo của các hành tinh khác được quan sát từ điểm lợi thế của Trái đất, chính nó cũng đang quay quanh Mặt trời Như được chỉ

ra trong ví dụ bên dưới đây, điều này có thể gây nên việc các hành tinh có vẻ di chuyển theo những đường kỳ lạ Kepler tập trung vào việc tìm hiểu quỹ đạo của Sao hoả, nhưng đầu tiên ông phải biết chính xác quỹ đạo của Trái đất Để làm được điều này, ông cần một vạch ranh giới quan sát Với một linh cảm thiên tài, ông đã sử dụng Sao hỏa và Mặt trời làm đường ranh giới, vì

không biết quỹ đạo thực của Sao hoả, ông biết rằng nó sẽ ở cùng

một chỗ trong quỹ đạo của nó ở những khoảng cách riêng biệt theo những giai đoạn quỹ đạo của nó Vì vậy các vị trí quỹ đạo của Trái đất có thể được tính toán, và từ đó lại tính toán ra quỹ đạo Sao hoả Ông đã có thể suy luận ra các định luật thiên thể của mình mà không cần biết khoảng cách chính xác của các hành tinh

từ Mặt trời, bởi vì phân tích hình học của ông chỉ cần có các tỷ lệ

khoảng cách tới Mặt trời của chúng

Không như Brahe, Kepler giả thiết hệ thống nhật tâm với Mặt trời

ở trung tâm Từ cái khung đó, Kepler đã mất hai mươi năm làm

việc chăm chỉ để thử và sửa chữa các nỗ lực nhằm tạo ra dữ liệu đúng Cuối cùng ông đã đạt tới Ba định luật về chuyển động thiên thể:

Định

luật

quỹ

đạo

elíp

của các

hành

tinh:

Các

hành

tinh

chuyển

động

quanh

Mặt

trời

theo

các quỹ

đạo

hình

elíp với

Mặt

trời

nằm ở

một

tiêu

điểm

Mặt Trời là 1 tiêu điểm

Định

luật

đồng

đều về

vận tốc

diện

tích:

Đường

nối một

hành

tinh với

Mặt

trời

quét

qua

những

diện

tích

bằng

nhau

trong

những

Diện tích quét của quỹ đạo

khoảng

thời

gian

bằng

nhau

Định

luật về

các chu

kỳ

chuyển

động:

Bình

phương

chu kỳ

chuyển

động

của một

hành

tinh thì

tỷ lệ

với lập

phương

bán trục

lớn của

quỹ đạo

elip của

hành

tinh đó

Với các hành tinh trong hệ mặt trời ta luôn có:

Trong đó

- T là thời gian cần thiết để một hành tinh quay một vòng quanh Mặt trời, được gọi là chu kỳ của nó

- a là bán trục lớn quĩ đạo elíp của hành tinh Sử dụng các định luật này, ông là nhà thiên văn học đầu tiên thành công trong việc

dự đoán sự vận động của Sao Kim (trong năm 1631) Các định luật của Kepler là minh chứng đầu tiên rõ ràng cho kiểu nhật tâm của hệ mặt trời, bởi vì chúng đã trở nên rất đơn giản khi đưa Mặt trời vào tâm Tuy nhiên, Kepler không bao giờ khám phá ra

những lý lẽ sâu sắc hơn của định luật, dù nhiều năm trong cuộc đời của ông có thể coi là dành cho việc nghiên cứu những bí ẩn không thuộc về khoa học Isaac Newton cuối cùng đã cho thấy rằng các định luật là một hệ của những định luật chuyển động và

luật hấp dẫn vũ trụ của ông (Với ưu thế thời hiện đại, định luật

về vận tốc diện tích đồng đều có thể hiểu đơn giản hơn khi sử dụng định luật bảo toàn mômen động lượng, còn gọi là động lượng góc

Lần đầu tiên Kepler khám phá ra định luật thứ ba của ông về chuyển động thiên thể vào ngày 8 tháng 3, 1618 nhưng ông đã từ

bỏ ý tưởng này cho tới 15 tháng 5, 1618, khi ông kiểm tra lại kết quả của mình Kết quả này đã được công bố trong cuốn

Harmonices Mundi (1619) của ông.