ΓΙΟΧΑΝΕΣ ΚΕΠΛΕΡ



Ο Ιωάννης Κέπλερ ήταν Γερμανός αστρονόμος (27 Δεκεμβρίου 1571 – 15 Νοεμβρίου 1630) και καταλυτική φυσιογνωμία στην επιστημονική επανάσταση των νεότερων χρόνων. Υπήρξε επίσης μαθηματικός και συγγραφέας, ενώ άσκησε κατά καιρούς και την αστρολογία για βιοποριστικούς λόγους. Είναι περισσότερο γνωστός ως ο «Νομοθέτης του ουρανού» από τους ομώνυμους «Νόμους» του, που αφορούν την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο και περιγράφονται στα έργα του.

Βιογραφικά στοιχεία

Ο Κέπλερ γεννήθηκε στην «ελεύθερη αυτοκρατορική πόλη» του Weil der Stadt της Βάδης-Βυρτεμβέργης (σήμερα 30 χιλιόμετρα δυτικά του κέντρου της Στουτγάρδης). Ο παππούς του είχε διατελέσει Δήμαρχος εκεί, αλλά όταν γεννήθηκε ο Γιοχάνες η οικογένειά του είχε παρακμάσει. Ο πατέρας του ήταν μισθοφόρος στρατιώτης και τους άφησε όταν ο Γιοχάνες ήταν πέντε ετών. Πίστεύεται ότι σκοτώθηκε σε πόλεμο στην Ολλανδία. Η μητέρα του, κόρη πανδοχέα, ασχολιόταν με τη βοτανοθεραπεία και αργότερα κατηγορήθηκε για μάγισσα. Γεννημένος πρόωρα, ο Γιοχάνες φαίνεται ότι ήταν ασθενικό παιδί, παρότι εντυπωσίαζε τους ταξιδιώτες στο πανδοχείο του παππού του με τις ικανότητές του στα Μαθηματικά.
Τα ουράνια κίνησαν το ενδιαφέρον του από πολύ μικρή ηλικία, αφού όταν ήταν 5 ετών παρατήρησε τον Κομήτη του 1577, γράφοντας αργότερα ότι «τον πήρε η μητέρα του σε ένα ψηλό μέρος για να τον δει». Σε ηλικία 9 ετών παρακολούθησε την έκλειψη Σελήνης του 1580, και κατέγραψε ότι το φεγγάρι «φαινόταν αρκετά κόκκινο». Επειδή όμως προσβλήθηκε παιδί ακόμα από ευλογιά, που τον άφησε με εξασθενημένη όραση, στράφηκε κυρίως προς τη θεωρητική και μαθηματική Αστρονομία αντί της παρατηρησιακής.

Το 1589, αφού τελείωσε το σχολείο, ο Κέπλερ άρχισε σπουδές Θεολογίας στο Πανεπιστήμιο της Τυβίγγης (Tübingen), όπου ωστόσο αναδείχθηκε σε εξέχοντα μαθηματικό και κέρδισε τη φήμη επιδέξιου αστρολόγου. Διδάχθηκε από τον Michael Maestlin (1550-1631) τόσο το πτολεμαϊκό όσο και το ηλιοκεντρικό σύστημα και από τότε πίστεψε το δεύτερο, υπερασπίζοντάς το τόσο θεωρητικά όσο και θεολογικά σε φοιτητικές συζητήσεις. Παρά την επιθυμία του να γίνει εφημέριος, κατά το τέλος των σπουδών του ο Κέπλερ προτάθηκε για μία θέση δασκάλου των Μαθηματικών και της Αστρονομίας στο Προτεσταντικό Σχολείο του Γκρατς της Αυστρίας. Αποδέχθηκε τη θέση τον Απρίλιο 1594, σε ηλικία 23 ετών.

Στο Γκρατς, ο Κέπλερ άρχισε να αναπτύσσει μία νέα κοσμολογική θεωρία βασισμένη πάνω στο ηλιοκεντρικό σύστημα, η οποία εκδόθηκε το 1596 υπό τον τίτλο Mysterium Cosmographicum, «Το Ιερό Μυστήριο του Κόσμου» (του Σύμπαντος). Τον Απρίλιο του 1597, ο Κέπλερ νυμφεύθηκε την Barbara Müller, η οποία πέθανε το 1611, αφήνοντας ορφανά δύο παιδιά της με τον Γιοχάνες και ένα από προηγούμενο γάμο.

Τον Δεκέμβριο 1599 ο Τύχων έγραψε στον Κέπλερ προσκαλώντας τον να τον βοηθήσει στο Benátky nad Jizerou, έξω από την Πράγα. Καθώς πιεζόταν να φύγει από το Γκρατς έτσι κι αλλιώς από όλο και αυστηρότερες πολιτικές της Αντιμεταρρυθμίσεως κατά των Προτεσταντών, ο Κέπλερ συναντήθηκε με τον Τύχωνα το έτος 1600. Μετά το θάνατο του Τύχωνα (1601), ο Κέπλερ διορίσθηκε Αυτοκρατορικός Μαθηματικός των Αψβούργων στη θέση του, στη βασιλική αυλή — μία θέση που διατήρησε τυπικά επί τριών διαφορετικών αυτοκρατόρων, από το Νοέμβριο 1601 μέχρι το θάνατό του, το 1630, αν και δεν θα έμενε όλα αυτά τα χρόνια συνεχώς στην Πράγα. Ως Αυτοκρατορικός Μαθηματικός, ο Κέπλερ ανέλαβε την ευθύνη του Τύχωνα για τα ωροσκόπια του Αυτοκράτορα και την ανάθεση να συντάξει τους Ροδόλφειους Πίνακες. Με τη μεγάλη συλλογή των υψηλής ακρίβειας παρατηρησιακών δεδομένων του Τύχωνα στα χέρια, ο Κέπλερ βρήκε την ευκαιρία να εξακριβώσει τη δική του μορφή της ηλιοκεντρικής θεωρίας. Ωστόσο, τα νέα, ακριβέστερα δεδομένα τον υποχρέωσαν να την εγκαταλείψει και να αρχίσει να αναπτύσσει την πρώτη θεωρία που περιελάμβανε μη κυκλικές τροχιές για τους πλανήτες. Η νέα του θεωρία ολοκληρώθηκε το 1606 και δημοσιεύθηκε το 1609 με τον τίτλο Astronomia Nova, «Η Νέα Αστρονομία». Το έργο αυτό περιείχε τους γνωστούς σήμερα ως Πρώτο και Δεύτερο νόμους του Κέπλερ.

Τον Οκτώβριο 1604 ο Κέπλερ παρατήρησε τον υπερκαινοφανή που σήμερα είναι γνωστός ως Υπερκαινοφανής του Κέπλερ. Το 1611 δημοσίευσε (με τη μορφή ενός γράμματος σε φίλο) μια μονογραφία για την προέλευση του σχήματος των χιονονιφάδων, που είναι η παλαιότερη γνωστή εργασία πάνω σε αυτό το θέμα. Τον Ιανουάριο 1612 πέθανε ο Αυτοκράτορας. Για να αποφύγει τις θρησκευτικές εντάσεις στην Πράγα, ο Κέπλερ πήγε ως Επαρχιακός Μαθηματικός στο Λιντς. Το 1615 αποφασίζει και κάνει δεύτερο γάμο, με τη Susanna Ruettinger, με την οποία απέκτησαν αρκετά παιδιά.

Την τετραετία 1617-1621 ο Κέπλερ είχε μία δυσάρεστη περιπέτεια: Η μητέρα του Katharina κατηγορήθηκε ότι ήταν μάγισσα στο Leonberg. Από τον Αύγουστο 1620 φυλακίσθηκε επί 14 μήνες. Χάρη και στην εκτεταμένη νομική υπεράσπιση που οργάνωσε ο Γιοχάνες, απελευθερώθηκε τον Οκτώβριο 1621 μετά από αποτυχημένες απόπειρες καταδίκης της. Δεν βασανίσθηκε, μόνο «υπέμεινε» τη λεπτομερή περιγραφή των βασανιστηρίων που την περίμεναν ως μάγισσα σε μία τελευταία απόπειρα να της αποσπάσουν ομολογία. Το διάστημα της δίκης της ο Κέπλερ ανέβαλε τα άλλα του έργα (τους Ροδόλφειους Πίνακες και ένα πολύτομο βιβλίο Αστρονομίας για φοιτητές της επιστήμης αυτής) και επικεντρώθηκε στην «αρμονική θεωρία» του. Το αποτέλεσμα τυπώθηκε το 1619 με τον τίτλο Harmonices Mundi («Η Αρμονία των Κόσμων») και περιείχε τον «Τρίτο νόμο του Κέπλερ».
Στις 15 Νοεμβρίου 1630 ο Κέπλερ πέθανε από πυρετό στο Ρέγκενσμπουργκ. Το 1632, ο τάφος του καταστράφηκε από τον σουηδικό στρατό κατά τις εχθροπραξίες του Τριακονταετούς Πολέμου.

Η επιστημονική του συνεισφορά

Ο Κέπλερ ως προς την επιστημονική του φιλοσοφία ήταν ένας Πυθαγόρειος: Πίστευε ότι το θεμέλιο ολόκληρης της Φύσεως είναι μαθηματικές σχέσεις και ότι όλη η Δημιουργία αποτελεί μία ενιαία ολότητα. Αυτό ερχόταν σε αντίθεση με την πλατωνική και την αριστοτελική άποψη ότι η Γη ήταν θεμελιωδώς διαφορετική από το υπόλοιπο Σύμπαν (τον «υπερσελήνιο» κόσμο) και ότι σε αυτή ίσχυαν διαφορετικοί φυσικοί νόμοι. Στην προσπάθειά του να ανακαλύψει τους συμπαντικούς φυσικούς νόμους, ο Κέπλερ εφάρμοσε τη γήινη Φυσική σε ουράνια σώματα, από όπου και εξάχθηκαν οι τρεις νόμοι του για την κίνηση των πλανητών. Επίσης, ο Κέπλερ ήταν πεπεισμένος ότι τα ουράνια σώματα επιδρούν στα επίγεια γεγονότα. Υπέθεσε έτσι σωστά ότι η Σελήνη σχετίζεται με την αιτία που δημιουργεί τις παλίρροιες.

Οι Νόμοι του Κέπλερ

Ο Κέπλερ κληρονόμησε από τον Τύχωνα μεγάλο όγκο ακριβέστατων παρατηρησιακών δεδομένων επί των θέσεων των πλανητών. Το δύσκολο ήταν να ερμηνευθούν με κάποια λογική θεωρία. Οι κινήσεις των άλλων πλανητών πάνω στην ουράνια σφαίρα παρατηρούνται από την οπτική γωνία της Γης, η οποία με τη σειρά της περιφέρεται περί τον Ήλιο. Αυτό προκαλεί μια φαινομενικώς περίεργη «τροχιά», κάποτε με τη λεγόμενη «ανάδρομη κίνηση». Ο Κέπλερ επικεντρώθηκε στην τροχιά του Άρεως, αλλά πρώτα έπρεπε να γνωρίζει με ακρίβεια την τροχιά της Γης. Με μία ιδιοφυή σκέψη, χρησιμοποίησε τη γραμμή που ενώνει τον Άρη με τον Ήλιο, αφού γνώριζε τουλάχιστον ότι ο Άρης θα βρισκόταν στο ίδιο σημείο της τροχιάς του κατά χρονικές στιγμές χωριζόμενες από ακέραια πολλαπλάσια της (γνωστής επακριβώς) περιόδου περιφοράς του. Από αυτό υπολόγισε τις θέσεις της Γης στη δική της τροχιά και από αυτές την αρειανή τροχιά. Κατάφερε να εξαγάγει τους Νόμους του χωρίς να γνωρίζει τις (απόλυτες) αποστάσεις των πλανητών από τον Ήλιο, αφού η γεωμετρική του ανάλυση χρειαζόταν μόνο τους λόγους των αποστάσεών τους από τον Ήλιο. Σε αντίθεση με τον Τύχωνα, ο Κέπλερ έμεινε πιστός στο ηλιοκεντρικό σύστημα. Εκκινώντας από αυτό το πλαίσιο, ο Κέπλερ προσπάθησε επί 20 χρόνια να συνταιριάσει τα δεδομένα σε κάποια θεωρία. Τελικώς έφθασε στους εξής τρεις «Νόμους του Κέπλερ» για την κίνηση των πλανητών, που γίνονται δεκτοί σήμερα:

1. Νόμος των ελλειπτικών τροχιών: Οι πλανήτες περιφέρονται περί τον Ήλιο σε ελλειπτικές τροχιές, των οποίων ο Ήλιος καταλαμβάνει τη μία από τις δύο εστίες.
2. Νόμος των ίσων εμβαδών: Η επιβατική ακτίνα (η γραμμή που ενώνει ένα πλανήτη με το κέντρο του Ήλιου) σε ίσους χρόνους σαρώνει ίσα εμβαδά. Ο λόγος είναι ότι ο κάθε πλανήτης κινείται ταχύτερα όταν βρίσκεται κοντά στο περιήλιο της τροχιάς του από ό,τι κοντά στο αφήλιο.
3. Νόμος των περιόδων: Το τετράγωνο του χρόνου που απαιτείται για να συμπληρώσει ένας πλανήτης μία πλήρη περιφορά γύρω από τον Ήλιο (η περίοδος του πλανήτη) είναι ανάλογο του κύβου του μεγάλου ημιάξονα της ελλειπτικής του τροχιάς, και η σταθερά της αναλογίας είναι η ίδια για όλους τους πλανήτες.

Εφαρμόζοντας αυτούς τους νόμους, ο Κέπλερ υπήρξε ο πρώτος αστρονόμος που προέβλεψε με επιτυχία μία διάβαση της Αφροδίτης (του έτους 1631). Με τη σειρά τους, οι Νόμοι του Κέπλερ υπήρξαν συνήγοροι του ηλιοκεντρικού συστήματος, αφού ήταν τόσο απλοί μόνο με την παραδοχή ότι όλοι οι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο.

Πολλές δεκαετίες μετά, οι Νόμοι του Κέπλερ εξάχθηκαν και εξηγήθηκαν με τη σειρά τους ως συνέπειες των νόμων της κινήσεως και του Νόμου της Παγκόσμιας Έλξεως (βαρύτητας) του Ισαάκ Νεύτωνα.

• Ο Κέπλερ στην πραγματικότητα ανεκάλυψε τον «τρίτο» Νόμο του πριν από τους άλλους δύο, στις 8 Μαρτίου 1618, αλλά απέρριψε την ιδέα μέχρι τις 15 Μαΐου 1618, οπότε και επαλήθευσε το αποτέλεσμά του, που δημοσιεύθηκε στο Harmonice Mundi (1619).

Ερευνητικό έργο στα Μαθηματικά και τη Φυσική

Ο Κέπλερ πραγματοποίησε πρωτοπόρες έρευνες στα πεδία της Συνδυαστικής, της γεωμετρικής βελτιστοποιήσεως και φυσικών φαινομένων στη Φύση, όπως το σχήμα των νιφάδων του χιονιού. Υπήρξε επίσης ένας από τους ιδρυτές της σύγχρονης Οπτικής, ορίζοντας π.χ. τα αντιπρίσματα και επινοώντας το κεπλεριανό τηλεσκόπιο (στα έργα του Astronomiae Pars Optica και Dioptrice). Επειδή ήταν ο πρώτος που ανεγνώρισε τα μη κυρτά κανονικά γεωμετρικά στερεά (όπως τα αστεροειδή δωδεκάεδρα), αυτά ονομάζονται και «Στερεά του Κέπλερ» προς τιμή του. Επίσης, ο Κέπλερ διατηρούσε επαφή με τον Wilhelm Schickard, εφευρέτη του πρώτου αυτόματου υπολογιστή, του οποίου οι επιστολές προς τον Κέπλερ περιγράφουν τον τρόπο χρήσεως του μηχανισμού για τον υπολογισμό αστρονομικών πινάκων.