Нам, людям двадцать первого века, трудно бывает представить, что большинство из вещей, составляющих наше привычное окружение и основы нашего мировоззрения – появились, были изобретены или открыты, считанные сотни лет назад. Если сравнить эти сотни с пятью тысячелетиями известной нам истории человечества – то станет ясно, как ускорилось развитие науки за эти годы. Это не значит, что сначала она стояла на месте – она двигалась, сначала детскими неуверенными шажками, отвлекаясь на красивые сказки и игрушки, потом постепенно набиралась опыта и знаний…

В век космических экспедиций каждый образованный человек представляет себе Солнечную систему: нашу звезду, окруженную планетами и другими телами. Планеты, кометы и астероиды обращаются вокруг Солнца, спутники – вокруг планет и даже астероидов… Орбиты всех этих тел – эллипсы, иногда почти неотличимые от окружностей, иногда – сильно вытянутые. Когда планета, астероид или комета находится в перигелии, точке орбиты, ближе всего расположенной к Солнцу – они движутся по орбите быстрее всего, а в афелии – дальше всего от Солнца – медленнее всего. Чем дальше от Солнца орбита планеты, тем дольше она обходит ее.

Азбучные истины? А когда-то они были огромным прорывом науки…

Многие века понадобились человечеству, чтобы построить представление об устройстве Вселенной, которое мы называем геоцентрической системой мира, или системой Птолемея. Не стоит пренебрежительно относиться к ней – несмотря на то, что она была неверной, ее создание потребовало огромных усилий, точных наблюдений и вычислений.
Да и основывалась геоцентрическая система как раз на наблюдаемых явлениях. Проще всего было предположить, что Солнце, как и Луна, и небесный свод, обращаются вокруг Земли.

И кто знает, как долго бы люди пребывали в этом заблуждении, если бы Земля была единственной планетой в Солнечной системе, или другие планеты не были бы видны невооруженным глазом. Но странные «блуждающие звезды» обратили на себя внимание древних астрономов с незапамятных времен, и вот на объяснение их движении, особенно непонятных «петель», которые они описывают среди других звезд – и были пущены все силы древней астрономии.

Планеты шаг за шагом опровергали теории, которые строили философы и астрономы. Сначала они дали понять, что небо – это нечто более сложное, чем просто купол, опрокинутый над землей. Если Луна и Солнце еще спокойно и неспешно ползут по нему в одном направлении, то какие причины заставляют планеты то идти прямо, то поворачивать назад?..

Сначала пришлось поместить каждое блуждающее светило на отдельную сферу. Потом – допустить что эти сферы все-таки не твердые и хрустальные (а из особой субстанции – эфира) и планеты не приклеены к ним намертво, а движутся одновременно по двум и более окружностям. Согласно этой модели, планета равномерно движется по малому кругу, называемому эпициклом, центр которого, в свою очередь, движется по большому кругу, который называется деферентом. Но по мере повышения точности наблюдений, схему приходилось усложнять, вводя все новые и новые эпициклы и деференты… Небеса казалось, состояли из гигантского переплетения невидимых колес какого-то исполинского механизма. Первый вопрос, который возникает сейчас при взгляде на эти схемы -– неужели никому не приходило в голову, что все это слишком громоздко, чтобы быть правдой?

Далеко не Коперник первым догадался о том, что Земля обращается вокруг Солнца, и все видимые движения Солнца, Луны и планет объясняются ее движением. Это предполагали и Аристарх Самосский, и Николай Кузанский. Но… как ни странно, теория Птолемея, использующая наиболее совершенный по тем временам математический аппарат, относительно точно предсказывала положение планет на многие годы вперед и назад. И даже система Коперника на первых порах не могла заменить ее полностью - одним равномерным круговым движением по орбите невозможно объяснить все наблюдаемые положения планет! Коперник был вынужден оставить в своей системе деференты…

Для того, чтобы установить истину, нужны были точные наблюдения – и новые ученые, способные их объяснить. Одним из первых таких ученых был Иоганн Кеплер.

Его жизнь и судьба – очень показательны. Родившись в 1571 году, на стыке эпохи Возрождения и Нового времени, он испытал и лишения, и нужду, и религиозные гонения (Кеплер был протестантом). У него было слабое здоровье, а недостаток зрения серьезно мешал в астрономических наблюдениях, особенно угломерных. И все же, несмотря на все трудности, он работал – упорно и постоянно. Родившись в небогатой семье, он обратил на себя внимание школьных учителей, которые рекомендовали родителям учить мальчика дальше. Он готовился к духовной карьере, но выбрал в итоге свое настоящее призвание - науку…

Он вырос и развился как ученый еще до изобретения телескопа. Его научные взгляды – смесь старого и нового. Например, до конца жизни он зарабатывает составлением гороскопов, и искренне верит во взаимосвязь небесных и земных явлений, хотя скептически относится к возможности предсказать конкретные события по положению планет, и оставляет известные слова об «астрологии – глупенькой дочке астрономии»… Он принимает систему Коперника – но в начале своей работы все еще пытается применить к планетным орбитам аристотелевские взгляды об идеальности небес, вписывая «сферы» планет в «платоновы тела» - правильные многогранники, которых существует всего пять – тетраэдр, октаэдр, гексаэдр (куб), иксаэдр и додекаэдр. Шестым «правильным телом» является шар. Кеплер вписал в эти тела, вложенные одно в другое, орбиты всех известных тогда шести планет – от Меркурия до Сатурна. Но орбиты все равно не хотели укладываться в то соотношение, которое показывали наблюдения… А вскоре новые точные наблюдения показали Кеплеру, что все устроено совершенно не так…

Эти наблюдения были сделаны не им, а великим датским астрономом Тихо Браге, ассистентом которого одно время работал Кеплер. Браге не дожил до изобретения телескопа, но его угломерные инструменты были самыми точными в мире. Он определял положения светил с точностью до одной угловой минуты. Целью своей жизни он видел уточнение формы планетных орбит, но, по иронии судьбы, не принимал теорию Коперника. Взамен ее он предлагал компромиссный вариант: планеты вращаются вокруг Солнца, но оно само – вокруг Земли… Кеплер писал: «Тихо владеет лучшими данными наблюдений, а значит, как будто и материалом для возведения нового здания, он имеет также рабочих и вообще все, чего можно пожелать для этого. Не хватает ему только архитектора, который использовал бы все это для собственного замысла. Потому что, хотя он имеет счастливое предрасположение и обладает истинным архитектоническим мастерством, его продвижению препятствует многообразие явлений и фактов, глубоко в которых скрыта истина».

Таким «архитектором» стал сам Кеплер, сменивший Браге на посту императорского математика при дворе Священной Римской империи германской нации. К нему перешел и архив наблюдений Браге. Перед смертью тот завещал своим сотрудникам доказать верность его теории строения Солнечной системы, но увы, доказать неверное невозможно, а опровергнуть Браге помогли его же собственные записи и измерения.

При жизни Браге поручил Кеплеру рассчитать орбиту Марса. Задача была чрезвычайно сложной, поскольку именно положение Марса сложнее других сходилось с математическими расчетами и по системе Птолемея, и по системе Браге, и даже по Копернику. Кеплеру предстояло выяснить, в чем дело.

В предисловии к своей книге, описывающей изучение орбиты Марса, Кеплер с тонким юмором изображает свое исследование в аллегорической форме, как сражение против грозного и коварного бога войны. Здесь он подчеркивает заслуги в достижении победы Тихо Браге, который «непрерывно на протяжении целых 20 лет каждую ночь неустанно подсматривал все привычки неприятеля... Собранные им сведения, перешедшие в мое распоряжение, дали мне возможность освободиться от того безотчетного и смутного страха, который обыкновенно испытываешь перед неизвестным врагом»

А Марс, как истинный воитель, не желал сдаваться и все время двигался не так, как предсказывали вычисления… Пока Кеплер не сделал гениальной догадки: его орбита – вовсе не окружность, а эллипс, и Солнце находится не в центре этого эллипса, а в одном из его фокусов. (Заметим, что эллипс орбиты Марса более вытянутый, чем, скажем, орбит Земли, Венеры и Юпитера, поэтому и несовпадения его положения с вычислениями были больше).

Потом пришлось расстаться и с аристотелевым догматом о том, что небесные тела могут совершать только равномерные движения. По мере приближения к Солнцу Марс двигался быстрее, а удаляясь от него – замедлялся… Кеплер не сомневался, что это относится не только к Марсу, но и к остальным планетам….

Примечательно, что в самом начале своих вычислений Кеплер по рассеянности допускает несколько ошибок, которые должны были бы существенно повлиять на правильность вычислений. Кеплер так и не заметил их до конца своей работы, но их обнаружил французский историк астрономии Деламбр, повторивший заново все его вычисления. Тем не менее исправленные Деламбром вычисления в результате дали почти те же значения — оказалось, что в самом конце вычислений Кеплер при делении снова допустил ошибки, перекрывшие первые!

Позже, при открытии второго закона, Кеплер снова допустил вычислительные ошибки, которые, взаимоналожившись, чудом привели к правильному ответу.

Последний, третий закон был оформлен в строгую форму ровно 400 лет назад – 15 мая 1618 года. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет. Таким образом, Солнечная система обрела свою «конструкцию» – не такую «идеальную», как у Аристотеля, но от этого не менее стройную и изящную. А впоследствии законы Кеплера много раз подтверждались с открытиями новых тел в Солнечной системе, а в сочетании с законом всемирного тяготения Ньютона – помогли открыть Нептун, вычислить массы спутников, планет, звезд в двойных системах…

Одним из несомненных достоинств (и новых для того времени черт) научных работ Кеплера является то, что он не просто излагает выводы, к которым пришел, а описывает весь путь от первоначальной идеи к установлению истины, не скрывая ни затруднений, ни ошибочных путей, ни ложных выводов, которые позже опровергались. Это одно из первых описаний метода научного поиска, тщательной сверки теории и фактов, экспериментального подтверждения, ведущего к научному открытию.

Кеплер прожил трудную жизнь. Его преследовали болезни, религиозные гонения на протестантов, и просто суеверия. Его мать была обвинена в колдовстве, и ученому пришлось спасать ее от костра, выступая на процессе в ее пользу. После нескольких лет мучительного процесса старую женщину все-таки отпустили; спустя менее года она умерла. Служба при дворе тоже мало способствовала достатку: в 1618 году началась Тридцатилетняя война, жалованье императорскому математику платилось скудно и крайне редко… В 1630 году, в одну из своих поездок с целью добиться его выплаты – верхом, по осенней непогоде - Кеплер сильно простудился и умер. Так случилось, что не сохранилась даже его могила. Но память о нем – в каждой схеме планетной системы, теперь уже не только Солнечной….