Johannes Kepler: der Architekt der Gesetze der Planetenbewegung
Eine schwierige Kindheit und religiöse Erziehung
Geboren am 27. Dezember 1571 in Weil der Stadt im Herzogtum Württemberg (heute Deutschland),Johannes Kepler(1571-1630) wuchs in einer bescheidenen Familie auf. Ihr Vater, ein Söldner, verschwand während ihrer Kindheit und ihre Mutter, eine Kräuterheilkundlerin, wurde später in ihrem Leben der Hexerei beschuldigt.
Bildungsweg:
1576-1584: Grundstudium an der Lateinschule Leonberg
1584-1589: Sekundarstudium am protestantischen Priesterseminar Adelberg
1589-1591: Studium der Theologie an der Universität Tübingen
1591: Erhält seinen Master in Philosophie
1594: Wird Mathematikprofessor in Graz
In Tübingen studierte er unter der Leitung vonMichael Mastlin, ein Befürworter des heliozentrischen Systems von Kopernikus, das seine zukünftige Forschung tiefgreifend beeinflusste.
Die drei Gesetze der Planetenbewegung
1. Erstes Gesetz (1609) – Gesetz der Umlaufbahnen
In seiner ArbeitAstronomia Nova(1609) stellt Kepler fest:
Die Planeten beschreibenelliptische Bahnenum die Sonne
Die Sonne nimmt einen derHäuserder Ellipse
Dieses Gesetz widerlegt endgültig das Modell der perfekten Kreisbahnen von Aristoteles und Ptolemäus
Gleichung einer Ellipse: \(\frac{r}{a} = \frac{1 - e^2}{1 + e \cos \theta}\) wobei \(e\) die Exzentrizität ist
2. Zweites Gesetz (1609) – Flächengesetz
Immer dabeiAstronomia NovaKepler entdeckt Folgendes:
DERRadiusvektorDie Verbindung eines Planeten mit der Sonne fegtgleiche Flächen in gleichen Zeiten
Folge: Die Planeten bewegen sich schneller, wenn sie nah an der Sonne sind (Perihel)
Dieses Gesetz besagt, dass die von der Sonne ausgeübte Kraft mit der Entfernung variiert
3. Drittes Gesetz (1619) – Periodengesetz
InHarmonics Mundi(1619) formulierte Kepler sein drittes Gesetz:
DERQuadrat der Umlaufzeiteines Planeten ist proportional zumWürfel der großen Halbachseaus seiner Umlaufbahn
Mathematische Formel: \(T^2 = k \cdot a^3\) wobei \(k\) eine Konstante ist
Dieses Gesetz ermöglicht es, die relativen Abstände der Planeten von der Sonne zu berechnen
Zusammenarbeit mit Tycho Brahe und dem kopernikanischen Erbe
Im Jahr 1600 wurde Kepler Assistent vonTycho Brahein Prag:
Zugriff auf die genauesten astronomischen Daten der damaligen Zeit
Studium der Umlaufbahn des Mars, Schlüssel zur Formulierung seiner Gesetze
Als Brahe 1601 starb, erbte Kepler seine Daten und wurde kaiserlicher Mathematiker von Rudolf II
Kepler verteidigt und perfektioniert das heliozentrische System von Kopernikus:
VeröffentlichenInbegriff Astronomiae Copernicanae(1618-1621), eine Verteidigung des Kopernikanismus
Zeigt, dass Gezeiten durch den Mond verursacht werden (Vorläufer der Gravitationstheorie)
Schlägt vor, dass Kometen sich in geraden Linien durch das Sonnensystem bewegen
Weitere wichtige wissenschaftliche Beiträge
1. Optik
Kepler macht bedeutende Fortschritte in der Optik:
1604: VeröffentlichtAd Vitellionem Paralipomena, Grundlage der modernen Optik
Erklärung der Bildentstehung im Auge
Beschreibung der Funktionsweise einer astronomischen Brille
Erfindung des astronomischen Teleskops mit zwei konvexen Linsen (Verbesserung des Galileo-Modells)
2. Mathematik
Zu seinen mathematischen Beiträgen gehören:
Untersuchung von Rotationskörpern (Kepler-Fässern)
Berechnung von Volumina durch Integration (Vorläufer der Infinitesimalrechnung)
Untersuchung der Symmetrien von Schneeflocken (De Nive Sexangula, 1611)
3. Astrophysik
Kepler bietet visionäre Ideen in der Astrophysik:
Hypothese, dass sich die Sonne um sich selbst dreht (später bestätigt)
Spekulationen über eine von der Sonne ausgehende Kraft, die die Planeten leitet (Vorläufer der Gravitation)
Untersuchung von Supernovae, einschließlich der von 1604 (Keplers Stern)
Persönliches Leben und Schwierigkeiten
Keplers Leben ist von persönlichen Prüfungen geprägt:
1611: Tod seines 6-jährigen Sohnes und seiner ersten Frau
1615–1621: Hexenprozess gegen seine Mutter (die er erfolgreich verteidigt)
Ständige finanzielle Probleme aufgrund von Kriegen und politischer Instabilität
Tod mehrerer seiner kleinen Kinder
Trotz dieser Schwierigkeiten bleibt Kepler äußerst produktiv:
Veröffentlichte mehr als 80 wissenschaftliche Arbeiten
Entspricht den wichtigsten Gelehrten seiner Zeit (Galileo, Longomontanus)
Reist für seine Forschung und Lehre durch ganz Europa
Vermächtnis und Nachwelt
Kepler starb am 15. November 1630 in Regensburg und hinterließ ein immenses wissenschaftliches Erbe:
Seine Gesetze der Planetenbewegung sind die Grundlage für:
Newtons Himmelsmechanik
Die Theorie der universellen Gravitation
Moderne Astronomie und Astrophysik
Posthume Ehrungen:
Die MissionKeplervon der NASA (Weltraumteleskop zur Suche nach Exoplaneten)
Der Asteroid(1134) Kepler
Der MondkraterKepler
Die Supernova von 1604 trägt seinen Namen (Keplers Stern)
Einstein nannte Keplers Gesetze „den ersten Schritt zum Verständnis der Schwerkraft und Bewegung im Universum“.
Hauptbeiträge von Johannes Kepler
Domain
Jahr
Beitrag
Auswirkungen
Astronomie
1609
Die ersten beiden Gesetze der Planetenbewegung
Endgültiger Ersatz des geozentrischen Modells, Grundlage der physikalischen Astronomie
Astronomie
1619
Drittes Gesetz der Planetenbewegung
Ermöglicht die Berechnung relativer Entfernungen im Sonnensystem, Grundlage für Newtons Gravitationsgesetz
Optisch
1604
Grundlagen der geometrischen Optik
Erklärung des Sehens, Verbesserung optischer Instrumente, Grundlagen der modernen Optik
Mathematik
1615
Studium der Revolutionskörper
Vorläufer der Integralrechnung, Anwendungen in Architektur und Ingenieurwesen
Astrophysik
1604
Untersuchung der Supernova SN 1604
Erste detaillierte Beobachtung einer Supernova, Bestätigung, dass Sterne nicht unveränderlich sind