Mọi thứ trong vũ trụ đều chuyển động. Mặt trăng quay quanh các hành tinh (trái đất), các hành tinh quay quanh các ngôi sao. Các thiên hà có hàng triệu triệu ngôi sao quay xung quanh chúng, và trên các quy mô rất lớn, các thiên hà quay quanh trong các cụm khổng lồ. Trên quy mô hệ mặt trời, chúng ta nhận thấy rằng hầu hết các quỹ đạo phần lớn là hình elip (một loại hình tròn dẹt). Các thiên thể gần các ngôi sao và hành tinh của chúng có quỹ đạo nhanh hơn, trong khi các thiên thể ở xa hơn có quỹ đạo dài hơn.
Các nhà quan sát bầu trời đã phải mất một thời gian dài để tìm ra những chuyển động này, và chúng ta biết về chúng nhờ công trình của một thiên tài thời Phục hưng tên là Johannes Kepler (sống từ năm 1571 đến năm 1630). Ông đã nhìn bầu trời với sự tò mò lớn và nhu cầu cháy bỏng được giải thích chuyển động của các hành tinh khi chúng dường như đi lang thang trên bầu trời.
Kepler là ai?
Kepler là một nhà thiên văn học và toán học người Đức, người có ý tưởng làm thay đổi cơ bản sự hiểu biết của chúng ta về chuyển động của hành tinh. Công việc nổi tiếng nhất của ông bắt nguồn từ việc ông được nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe (1546-1601) thuê. Ông định cư ở Praha vào năm 1599 (khi đó là nơi đặt tòa án của hoàng đế Đức Rudolf) và trở thành nhà thiên văn học của triều đình. Tại đây, ông thuê Kepler, một thiên tài toán học, thực hiện các phép tính của mình.
Kepler đã nghiên cứu thiên văn học từ lâu trước khi gặp Tycho; ông ủng hộ thế giới quan Copernican cho rằng các hành tinh quay quanh Mặt trời. Kepler cũng đã trao đổi thư từ với Galileo về những quan sát và kết luận của ông.
Cuối cùng, dựa trên công việc của mình, Kepler đã viết một số tác phẩm về thiên văn học, bao gồm Astronomia Nova, Harmonices Mundi, và Epitome of Copernican Astronomy. Những quan sát và tính toán của ông đã truyền cảm hứng cho các thế hệ sau này của các nhà thiên văn học để xây dựng các lý thuyết của ông. Ông cũng nghiên cứu các vấn đề trong quang học, và đặc biệt, đã phát minh ra một phiên bản tốt hơn của kính thiên văn khúc xạ. Kepler là một người sùng đạo sâu sắc và cũng tin vào một số nguyên lý của chiêm tinh trong một thời kỳ trong cuộc đời của mình.
Nhiệm vụ khó khăn của Kepler
Kepler được Tycho Brahe giao công việc phân tích những quan sát mà Tycho đã thực hiện về hành tinh Sao Hỏa. Những quan sát đó bao gồm một số phép đo rất chính xác về vị trí của hành tinh mà không phù hợp với các phép đo của Ptolemy hoặc phát hiện của Copernicus. Trong tất cả các hành tinh, vị trí dự đoán của sao Hỏa có sai số lớn nhất và do đó đặt ra vấn đề lớn nhất. Dữ liệu của Tycho là tốt nhất có sẵn trước khi phát minh ra kính thiên văn. Trong khi trả tiền cho Kepler để được hỗ trợ, Brahe bảo vệ dữ liệu của mình một cách ghen tị và Kepler thường phải vật lộn để có được số liệu cần để thực hiện công việc của mình.
Dữ liệu chính xác
Khi Tycho qua đời, Kepler đã có thể lấy được dữ liệu quan sát của Brahe và cố gắng tìm hiểu ý nghĩa của chúng. Năm 1609, cùng năm mà Galileo Galilei lần đầu tiên quay kính thiên văn của mình về phía thiên đường, Kepler thoáng thấy những gì ông nghĩ có thể là câu trả lời. Độ chính xác của các quan sát của Tycho đủ tốt để Kepler chứng minh rằng quỹ đạo của Sao Hỏa sẽ phù hợp chính xác với hình dạng của một hình elip (một dạng hình tròn thuôn dài, gần giống như hình quả trứng).
Hình dạng của con đường
Khám phá của ông khiến Johannes Kepler trở thành người đầu tiên hiểu rằng các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta chuyển động theo hình elip, không phải hình tròn. Ông tiếp tục điều tra, cuối cùng phát triển ba nguyên lý chuyển động của hành tinh. Chúng được gọi là Định luật Kepler và chúng đã cách mạng hóa thiên văn học hành tinh. Nhiều năm sau Kepler, Ngài Isaac Newton đã chứng minh rằng cả ba Định luật Kepler đều là kết quả trực tiếp của các định luật hấp dẫn và vật lý chi phối các lực tác động giữa các vật thể có khối lượng lớn khác nhau. Vậy, Định luật Kepler là gì? Dưới đây là một cái nhìn nhanh về chúng, sử dụng thuật ngữ mà các nhà khoa học sử dụng để mô tả chuyển động quỹ đạo.
Định luật đầu tiên của Kepler
Định luật đầu tiên của Kepler phát biểu rằng “tất cả các hành tinh chuyển động theo quỹ đạo hình elip với Mặt trời ở một tiêu điểm và tiêu điểm kia trống rỗng.” Điều này cũng đúng với các sao chổi quay quanh Mặt trời. Được áp dụng cho các vệ tinh Trái đất, tâm Trái đất trở thành một tiêu điểm, với tiêu điểm còn lại để trống.
Định luật thứ hai của Kepler
Định luật thứ hai của Kepler được gọi là luật của các khu vực. Định luật này nói rằng “đường nối hành tinh với Mặt trời quét qua các khu vực bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.” Để hiểu định luật này, hãy nghĩ về thời điểm một vệ tinh quay quanh. Một đường tưởng tượng nối nó với Trái đất quét qua các khu vực bằng nhau trong khoảng thời gian bằng nhau. Đoạn thẳng AB và CD mất thời gian bằng nhau để che đi. Do đó, tốc độ của vệ tinh thay đổi, phụ thuộc vào khoảng cách của nó với tâm Trái đất. Tốc độ lớn nhất tại điểm trong quỹ đạo gần Trái đất nhất, được gọi là perigee, và chậm nhất ở điểm xa Trái đất nhất, được gọi là apogee. Điều quan trọng cần lưu ý là quỹ đạo theo sau của một vệ tinh không phụ thuộc vào khối lượng của nó.
Định luật thứ ba của Kepler
Định luật thứ 3 của Kepler được gọi là định luật giai đoạn. Định luật này liên quan đến thời gian cần thiết để một hành tinh thực hiện một chuyến đi trọn vẹn quanh Mặt trời với khoảng cách trung bình của nó so với Mặt trời. Định luật nói rằng “đối với bất kỳ hành tinh nào, bình phương của giai đoạn biến chuyển của nó tỷ lệ thuận với lập phương của khoảng cách trung bình của nó từ Mặt trời.” Được áp dụng cho vệ tinh Trái đất, định luật thứ 3 của Kepler giải thích rằng vệ tinh càng xa Trái đất thì thời gian hoàn thành quỹ đạo càng lâu, khoảng cách nó đi để hoàn thành quỹ đạo càng lớn và tốc độ trung bình của nó càng chậm. Một cách khác để nghĩ về điều này là vệ tinh di chuyển nhanh nhất khi nó gần Trái đất nhất và chậm hơn khi nó ở xa hơn.
Nick Greene, Carolyn Collins Petersen.
