Jak Johannes Kepler odkrył eliptyczny kształt orbity Marsa? (1605)

Kepler był pierwszym liczącym się naukowo zwolennikiem teorii heliocentrycznej. Otaczał wielką czcią postać Mikołaja Kopernika, ale astronomię zbudował właściwie na nowo. Zawiłą drogę do odkrycia tego, co dziś nazywamy dwoma pierwszymi prawami Keplera, opisał w legendarnie trudnej książce Astronomia nova. Dotyczyła ona głównie ruchu Marsa, częściowo także Ziemi. Uczony miał do dyspozycji wieloletnie precyzyjne obserwacje Tychona Brahego. Na ich podstawie zbudował teorię, która dorównywała im dokładnością, był to największy krok od czasów starożytnych Greków. Bez tak precyzyjnej teorii trudno sobie wyobrazić odkrycie prawa ciążenia przez Isaaca Newtona. Sam Newton sądził, iż Kepler wiedział, że orbity planet są owalne, a odgadł, że są one eliptyczne. W jakimś stopniu miał rację: nawet obserwacje Tychona, najlepsze, jakie kiedykolwiek zgromadzono, były zbyt mało dokładne, aby precyzyjnie wyznaczyć kształt orbity szukając jej punkt po punkcie. Odkrycie było więc wynikiem konfrontowania rozważań teoretycznych i obserwacji.
W praktyce dzięki pomysłowym metodom postępowania Kepler potrafił z dużą dokładnością wyznaczyć kierunek Słońce-Mars w zależności od czasu oraz z mniejszą dokładnością odległości planety od Słońca w różnych chwilach. Jego zdaniem Mars poruszany jest przez jakąś siłę emanującą ze Słońca. A właściwie wyobrażał sobie nawet dwie takie siły, pamiętajmy, że mechanika była wciąż na etapie arystotelesowskim: siła ciągnie albo popycha – ciało się porusza, siła przestaje działać – ciało staje. Była to dynamika przesuwanej szafy. Mimo to lepsza była taka dynamika niż żadna. Przed Keplerem, a i po nim, wyobrażano sobie ruchy planet jako coś całkowicie odmiennego od mechaniki ziemskich przedmiotów. Dla Kopernika Słońce było centralną latarnią w świecie, a nie źródłem siły.
Kepler przyjął, że ruch Marsa wokół Słońca zachodzi po krzywej zamkniętej. Najprościej było przyjąć, że jest nią okrąg o umownym promieniu równym 1. Musimy jednak wtedy Słońce odsunąć od środka okręgu o pewną wielkość znaną z obserwacji, tzw. mimośród orbity. W przypadku Marsa \mbox{AS}=e \approx 1/11.

mars 1 area law

Wiadomo też z obserwacji, że planeta porusza się szybciej, gdy jest bliżej Słońca. Z takim ruchem niejednostajnym Kepler zmierzył się jako pierwszy. Intuicyjnie wydawało mu się to zrozumiałe, że z mniejszej odległości Słońce oddziałuje silniej, a więc porusza szybciej naszą planetą (Wyobrażał sobie, że Słońce wiruje wokół osi i niejako zagarnia planety swoim polem siłowym, toteż ucieszył się, kiedy odkryto wirowanie Słońca wokół osi). Uprościmy rozważania na ten temat, zakładając tzw. prawo pól, czyli dziś II prawo Keplera. W trakcie swej wojny z Marsem (jak sam ją określał w alegorycznym duchu epoki) astronom stosował także różne inne przybliżenia, które dla uproszczenia pominiemy. Prawo pól mówi, że pole powierzchni zakreślonej przez promień wodzący Marsa, czyli np. powierzchni SCM jest proporcjonalne do czasu. Np. pole wycinka SM’C jest mniej więcej równe polu BAC, czyli ćwiartce koła. Znaczy to, że Mars znajdzie się w tym położeniu po jednej czwartej obiegu. Po połowie obiegu znajdzie się oczywiście w punkcie najbliższym Słońca (peryhelium).
Na przebycie łuku orbity CM planeta potrzebuje czasu t, który spełnia następującą proporcję

\dfrac{t}{T}=\dfrac{\mbox{pole MAC}+\mbox{pole SAM}}{\pi}\Rightarrow t=\beta+e\sin\beta.

Przyjęliśmy umownie, że okres obiegu Marsa T=2\pi. Jest to tzw. równanie Keplera. Kąt \beta nazywa się anomalią mimośrodową. Nie jest to wprawdzie ten kąt, który może wprost zainteresować astronoma i który można wyznaczyć z obserwacji (choć nie wprost – trudno umieścić się na Słońcu!). Istotnym obserwacyjnie kątem jest MSC, tzw. anomalia prawdziwa. Z rysunku widać, że anomalię tę można wyznaczyć w sposób trygonometryczny. Mając \beta, możemy więc znaleźć czas i położenie planety. Równanie Keplera jest przestępne, nie można podać prostego wyrażenia na funkcję \beta(t), był to jeden z kłopotów Keplera, a potem wszystkich następnych astronomów, gdyż równanie Keplera obowiązuje także dla orbity eliptycznej. Od teraz będziemy zakładać prawo pól dla każdego kształtu orbity. Kiedy zastosuje się je do Marsa, anomalie prawdziwe (czyli kąty widziane ze Słońca) różnią się od obserwowanych mniej więcej tak:

mars circular errors

(rysunek wg pracy H. Martynki)

Różnice nie są wielkie, lecz w miarę wyraźne. Kepler znał tylko kilka punktów tej krzywej, nie miał do dyspozycji żadnych narzędzi obliczeniowych, nawet logarytmy były nieznane, każde mnożenie, dzielenie itd. trzeba było mozolnie wykonywać krok po kroku. Obserwacje Tychona pozwalały na błędy rzędu jednej albo dwóch minut kątowych (bez użycia teleskopu nie da się zresztą rozróżnić mniejszych kątów, patrz George Biddell Airy: Jak drobne szczegóły można dostrzec przez teleskop? Nasze oko ograniczone jest średnicą źrenicy, a także gęstością komórek światłoczułych na siatkówce). Kepler sprawdził także, że orbita Marsa powinna być odrobinę spłaszczona. Rzecz jednak w tym, że nie szukał jedynie odpowiedniej krzywej, ale chciał także, żeby jej kształt wynikał jakoś z mechaniki. Wpadł na pomysł dość dziwaczny dla nas, ale uzasadniony tradycją astronomii: na dużym kole (deferencie) obraca się małe koło (epicykl). Można taką konstrukcją zastąpić okrąg rozważany wyżej.

mars2 ekscent

Odcinek CM jest stale równoległy do SA. Można albo sobie wyobrażać ruch po czerwonym okręgu albo po dwóch czarnych, wynik będzie ten sam. Nowy pomysł Keplera polegał na tym, aby epicykl nadal obracał się jednostajnie, ale ruch planety miał być niejednostajny: w rezultacie kąt NXM będzie większy niż kąt NSC i wypadkowa krzywa stanie się spłaszczonym nieco owalem. Jednostajny obrót epicykla uważał Kepler za możliwy fizycznie (wymagało to jakiejś dodatkowej siły wywołującej ten obrót, ale tak czy owak potrzebował dwóch różnych sił: jednej wywołującej krążenie wokół Słońca oraz drugiej na przemian zbliżającej i oddalającej planetę od Słońca).

mars oval

Owal też nie spełnił zadania. Kepler miał kłopoty z obliczeniem jego kształtu, choć zadanie nie jest szczególnie trudne, gdy zastosować trygonometrię w zapisie algebraicznym albo prosty rachunek całkowy – narzędzia te nie były mu dostępne, bo ich jeszcze nie było. Błędy w anomaliach prawdziwych okazały się teraz równie duże co poprzednio, miały jednak inne znaki.

mars errors oval

(rysunek wg pracy H. Martynki)

Wskazywało to na zbytnie spłaszczenie owalu w stosunku do rzeczywistości. Owal miał rzeczywiście kształt jajka (ovum), choć w praktyce jajo to nie różniło się wiele od elipsy i w jakimś momencie Kepler zaczął je przybliżać elipsą. Nie zauważył, że prawo pól zastosowane do różnych elips oznacza, że planety tak się poruszające znajdują się w każdej chwili na jednej linii prostopadłej do osi NMM’. Zatem jeśli błękitna elipsa daje położenie M’, a okrąg położenie N i oba są z przeciwnym błędem, to rozwiązaniem powinna być elipsa pośrednia między tymi dwiema (okrąg to też elipsa).

mars 3 ellipses

W każdym z tych przypadków słuszne jest równanie Keplera, które wypisaliśmy wyżej. Kepler szukał jednak wyjaśnienia fizycznego: owal miał jakieś uzasadnienie, inna elipsa nie bardzo. Bez epicykla i bez okręgu znalazł się w kropce. Wrócił do odległości. Owal był nieco węższy w kierunku prostopadłym do osi (linia łącząca położenie najbliższe i najdalsze od Słońca, u nas pozioma). Między okręgiem a owalem zostawał cienki sierp, lunula – jak go określił.

mars lunulae1

Astronom wiedział, że prawdziwy tor planety mieści się gdzieś pośrodku. Obserwowane odległości nie przesądzały jednak gdzie dokładnie. Wczesną wiosną 1605 roku zauważył dość szczególne prawo, które pasowało do obserwacji i tego, co wiedział.

mars click

Najpierw przyjrzyjmy się niebieskiemu trójkątowi SKA. Kepler wiedział, że kąt na rysunku równy jest dla Marsa \varphi=5^{\circ} 18'. Przy takim kącie SK=1,00429, a więc do jedynki dodana jest mniej więcej połowa szerokości lunuli. Tymczasem odległość SM powinna być równa wówczas 1. Czyli tam, gdzie orbita jest najwęższa, od okręgu należałoby ująć mniej więcej 0,00429. Prawo, które zaproponował, przedstawione jest na rysunku. Zamiast odległości SN należało w każdym punkcie wziąć odległość ND – była to więc reguła, o ile należy skrócić promień w stosunku do promienia wodzącego SN (N leży na okręgu). Zapisane trygonometrycznie prawo to ma rzeczywiście prostą postać

r=1+e\sin\beta.

Można było mieć nadzieję, że tak proste prawo wynika jakoś z mechaniki. Miało ono zastąpić ów nieszczęsny epicykl, który sprawił mu mnóstwo zachodu. Brakowało jeszcze ustalenia, w którym kierunku należy odłożyć ową odległość r. W końcu zauważył, że prawidłowy rysunek wygląda następująco.

mars kepler ellipse

Można wykazać, że odkładając odległość DN jako SM (obie zaznaczone są na niebiesko), otrzymujemy punkt M leżący na elipsie. Spośród wszystkich elips, które mają taką samą długość dużej półosi, wybieramy dzięki tej konstrukcji taką, że Słońce znajduje się w jej ognisku (sam astronom nie zauważył tego w pierwszej chwili). Nie jest to oczywisty sposób na skonstruowanie elipsy, ale jest on prawidłowy. Zapisane przez nas równania oraz łatwy do wyznaczenia z rysunku kąt anomalii prawdziwej dają nam równania ruchu planety w postaci parametrycznej, gdzie \beta jest parametrem. Zauważmy, że linia AN nie celuje ku planecie, lecz ku pewnemu punktowi na pomocniczym okręgu. Konstrukcja jest dość zawiła, ale nie da się tego zrobić dużo prościej, to ruchy planet są skomplikowane.
W rzeczywistości orbity Marsa rozpatrywane przez Keplera bardzo mało się od siebie różnią. Na rysunku przedstawiłem przypadek e=0,4, mimośrody planet nie są tak duże. Widzimy, dlaczego starożytne teorie oparte na okręgach działały tak dobrze.

mars e equal04

(rysunek wg pracy H. Martynki)

A tak poprawiła się dokładność przewidywań w teorii Keplera w porównaniu z efemerydami przed nim.

marspos

Dane O. Gingericha

Dla porządku zapiszę jeszcze wzory dla anomalii prawdziwej v, czyli kąta MSC na rysunku wyżej. Rzutując SM na prostą SC, otrzymujemy:

r\cos v=e+\cos\beta.

Rzutując SM na prostą NM, otrzymujemy:

r\sin v=\sqrt{1-e^2}\sin\beta,

gdzie \sqrt{1-e^2} jest stosunkiem długości małej osi elipsy do dużej. Łatwo stąd otrzymać także biegunowe równanie elipsy, lepiej znane niż wzór Keplera na r. Mnożąc obie strony wzoru z \cos v przez e oraz dodając do obu stron 1, mamy:

1+er\cos v=e^2+(1+e\cos\beta)=e^2+r.

Wyznaczając r, dostajemy równanie elipsy

r=\dfrac{1-e^2}{1-e\cos v}.

W podręcznikach cosinusy mają inne znaki, ponieważ my trzymamy się historycznego sposobu liczenia kątów od aphelium, a obecnie liczy się od perihelium: \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha. Owal Keplera ma równanie

r=\dfrac{1-e^2}{\sqrt{1-2e\cos v+e^2}}.

3 myśli nt. „Jak Johannes Kepler odkrył eliptyczny kształt orbity Marsa? (1605)

  1. Zawsze Kepler jakoś mi bliżej niż Newton
    Myślałem, że zgaduje
    Teraz nam łatwiej,
    oddychamy całką czy różniczką
    A wystarczyło pomyśledź
    iluż ludzi ograniczył i upośledził Arystoteles

    Lubię

  2. Jak duże jest odchylenie elipsy orbity Marsa od okręgu? Czy gdyby obserwacje Tycho de Brahe były mniej dokładne(błąd większy o kilka minut), Kepler osiągnąłby swój cel?

    Lubię

    • 0,00429, czyli o. 0,5% w odległościach. Przy dokładności rzędu 10′ cała praca Keplera byłaby niemożliwa, wystarczyłby okrąg z ekwantem, czyli techniki geometryczne starożytnych. Eliptyczność nie była jedynym problemem, Kepler wprowadził wiele innych innowacji, które poprawiały dokładność: np. on pierwszy uważał, że orbita planety jest krzywą płaską i Słońce leży w jej płaszczyźnie; że trzeba wszystko liczyć od rzeczywistego cielesnego Słońca, a nie od środka orbity Ziemi (Słońca średniego) i parę innych. Jeszcze Kopernik uważał, że błędy 10′ to praktycznie nic. Tycho wykonał ogromną pracę, aby realnie zwiększyć dokładność, co wymaga mnóstwa zabiegów: dobrej teorii ruchu Słońca, danych na temat refrakcji (załamania światła) w atmosferze ziemskiej, sprawdzania błędów dawanych przez różne przyrządy itd. itp.

      Liked by 1 osoba

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s