Стремление все подчинить единому порядку, так чтобы ничто не осталось необъясненным, заставило Кеплера поместить Солнце (в «Космографической тайне») в точности в центр Вселенной. Вспомним, что у Коперника оно было несколько смещено по отношению к центру, чтобы удовлетворить данным наблюдений. Поместив Солнце в центр Вселенной и придав ему смысл физического центра сил, Кеплер сделал первый за полстолетия шаг на пути дальнейшей разработки теории Коперника. Более того, он попытался объяснить физически и сам характер движения планет. Поиски архетипов привели его к выводу, что периоды обращения связаны с расстояниями, на которые они удалены друг от друга. В результате Кеплер нашел, что отношения периодов планет в степени 1/2 равны средним величинам отношений их расстояний от Солнца. В этой зависимости уже содержится намек на знаменитый третий закон, который он откроет лишь 20 лет спустя. Разница будет лишь в том, что правильный показатель степени 2/3, а не 1/2, но даже и эта приближенная зависимость давала неплохое совпадение (см. таблицу).
Как справедливо пишет биограф Кеплера Оуэн Гингерич: «Хотя основная посылка „Космографической тайны" была ошибочной, Кеплер был первым и до Декарта единственным ученым, кто требовал физического объяснения небесных явлений. Редко в истории науки столь ошибочная книга оказывалась столь плодотворной для будущего развития науки» {11, с. 292}.
Свою книгу Кеплер послал некоторым ученым, чье мнение было для него важным. Среди его адресатов были датчанин Тихо Браге и итальянец Галилео Галилей.
После «Космографической тайны» Кеплер углубляется в разработку космологических проблем — его интересует все: от лунных и солнечных затмений до хронологии и поисков фундаментальных законов мироздания. В 1599 г. он набрасывает план своей главной книги — «Гармонии Мира». Однако гонения на протестантов, вызванные Контрреформацией, заставляют Кеплера отказаться от своих первоначальных планов и искать убежища за пределами Штирии. Он вернется к «Гармонии» лишь много лет спустя и закончит ее в 1619 г.
В это время между тем в его жизни намечаются перемены и другого рода: он женится на Барбаре Мюллер, старшей дочери зажиточного мельника, 27 апреля 1597 г. при «зловещем расположении созвездий», как он записал в своем дневнике. Женитьба и вправду оказалась неудачной — влюбленность первых дней вскоре прошла, и Кеплер разочарованно обнаружил, что жена его «толста, бестолкова и ограниченна». Горечь разочарования усугубилась впоследствии настоящим горем — двое его детей умерли вскоре после рождения. Кроме того, его жена, обладавшая в Граце немалым состоянием, не выказывала ни малейшего желания покидать родные места, хотя опасность жизни в Граце для Кеплера все увеличивалась. Католические правители провинции не трогали протестантов до сентября 1598 г. Но 28 сентября всем протестантам Граца, и Кеплеру в том числе, было приказано покинуть город до захода солнца. Правда, Кенлеру, в отличие от остальных, было затем разрешено вернуться, но он все-таки предпочел подыскать себе место поспокойнее. Этим местом стала должность ассистента Тихо Браге, математика и астронома при дворе императора Рудольфа II в Праге.
5
Итак, 1 января 1600 г. Кеплер отправился в Прагу — именно здесь ему предстояло начать работу, завершившуюся открытием знаменитых трех законов, на основе которых строится небесная механика. Напомним, что, согласно первому закону, планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце; второй закон гласит, что радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные времена заметает равные площади, и, наконец, третий закон утверждает, что квадраты периодов обращения планет относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Первые два закона содержались в книге Кеплера, вышедшей в 1609 г. под характерным названием: «Новая астрономия, причинно обоснованная, или физика неба, изложенная в исследованиях движения планеты Марс по наблюдениям благороднейшего мужа Тихо Браге». На самом деле второй закон был открыт раньше первого, а оба они появились в результате изучения движения Марса, чем Кеплер занялся в Праге, говоря его словами, «по воле Божественного Провидения».
Марс представлял наиболее сложную проблему для астронома-теоретика из-за того, что его орбита значительно больше отличалась от круговой по сравнению, скажем, с орбитой Луны или Земли. Сначала проблемой Марса занимался Лонгомонтан, другой ассистент Тихо, но впоследствии, видя, что трудности для него являются непреодолимыми, Тихо перепоручил ее Кеплеру. Кеплер с воодушевлением принялся за работу, отчетливо понимая, что экспериментальный материал, собранный Тихо Браге, дает ему уникальную возможность найти, наконец, решение этой проблемы. Однако первые попытки построить адекватную модель движения Марса с традиционным использованием экванта для круговой орбиты приводят Кеплера к неудаче, хотя он с первых шагов и устанавливает один факт фундаментальной важности: орбита Марса должна быть отнесена к действительному положению Солнца, а не к центру земной орбиты, как делалось обычно всеми астрономами до него.
Потерпев неудачу с использованием круговой орбиты для Марса, Кеплер решил более точно определить элементы его орбиты. И здесь он снова сталкивается с целым рядом трудностей. Дело в том, что астрономам приходится наблюдать планеты с движущейся Земли, и если неизвестна ее орбита и расстояние Солнце — Земля на каждый момент времени, то любые как угодно точные наблюдения других планет окажутся бесполезными, если ставить перед собой задачу определения орбиты этих планет.
Итак, необходимо было определить движение самой Земли вокруг Солнца. «Это было бы просто невозможно сделать, если бы, кроме Солнца, Земли и неподвижных звезд, не существовало бы других планет. Если бы последних не было, то из опытов можно было бы определить только годичное направление Солнце — Земля (т. е. видимое движение Солнца относительно неподвижных звезд). Можно было бы установить, что это направление всегда лежит в неизменной по отношению к неподвижным звездам плоскости, по крайней мере с достигаемой тогда точностью наблюдений, проводимых без применения телескопа. Можно было также определить и каким образом прямая Солнце — Земля вращается вокруг Солнца. Было установлено, что угловая скорость этого движения в течение года меняется по определенному закону. Но этого было недостаточно, так как оставался неизвестным закон годичного изменения расстояния Солнце — Земля. Только после установления этого закона можно было найти истинную орбиту Земли и способ ее прохождения» {10, IV, с. 122}.
Решение Кеплером этой задачи Альберт Эйнштейн (из статьи которого о Кеплере взяты эти строки) считает одним из крупнейших достижений науки, поистине заслуживающим восхищение. Кеплер воспользовался Марсом в качестве «своеобразного триангуляционного пункта», с помощью которого оказалось возможным определить орбиту Земли. Действительно, предположим, что Марс занимает некоторое неподвижное положение М в плоскости земной орбиты. Тогда легко определить направление SM (Солнце — Марс) относительно неподвижных звезд. Для этого нужно лишь отметить то положение, когда Земля, Солнце и Марс лежат на одной прямой, что несомненно произойдет в некоторый момент времени. В другой момент времени Земля уже не будет лежать на прямой SM, а будет находиться в некоторой точке T1 своей орбиты. Для этого момента также можно определить направление ST1 и T1M относительно неподвижных звезд. Тогда в треугольнике SMT1 будут известны все углы и одна сторона MS неизменна— ее величину можно выбрать произвольно, и, следовательно, в выбранном масштабе можно получить расстояние T1M (Марс — Земля). Эту процедуру можно повторить для любого момента времени, получив достаточное число точек для определения земной орбиты.
Однако, как мы знаем, Марс не является неподвижным, но движется вокруг Солнца. И тем не менее Кеплер сумел использовать описанную схему, найдя гениально простое решение. Известно, что Марс обращается вокруг Солнца за вполне определенное время, его период равен 687 суткам, поэтому если за начало отсчета выбрать момент, когда Марс, Солнце и Земля лежат на одной прямой, то следующая точка наблюдения должна отстоять по времени от первой на 687 суток. За это время Марс вернется в свое первоначальное положение, а Земля займет некоторое другое положение, отличное от первого. Следующее положение Земли определится временем, равным двум периодам Марса, и т. д.
Поступая таким образом, Кеплер смог определить движение Земли. Но не следует думать, что Кеплер получил в результате эллиптическую орбиту, хотя такое впечатление может сложиться при чтении многих популярных статей и книг о Кеплере. На самом деле вследствие очень малого эксцентриситета земной орбиты Кеплер не смог установить, что орбитой Земли является эллипс, и по-прежнему считал, что она представляет собой окружность. Тем не менее он был в состоянии с достаточно хорошей точностью определить скорость Земли на орбите в зависимости от ее местонахождения на ней. В частности, он показал, что скорость движения Земли неодинакова для разных частей орбиты, поэтому теорию движения Земли следует строить аналогично тому, как это делается для других планет.
До исследований Кеплера была повсеместно принята та точка зрения, что Земля в отличие от других планет движется равномерно по орбите;, в то время как для других планет Птолемеем было введено понятие экванта — точки, из которой неравномерное движение планеты кажется равномерным. Кеплер показал, что движение Земли также находится в согласии с гипотезой экванта, являясь, по сути, неравномерным. Он предположил, что орбита Земли дол