Solar system (only 6 planets shown) by NASA and Kepler by unknown artist via Wikimedia Commons.
December 27, 1571. Saksalainen tähtitieteilijä ja matemaatikko Johannes Kepler syntyi tänään 446 vuotta sitten. Muistamme hänet siitä, että hän uskoi kopernikaaniseen malliin – aurinkokeskeiseen, ei maapallokeskeiseen aurinkokuntaan – kun vain harvat muut uskoivat, ja siitä, että hän osoitti teorian totuuden kolmen kuuluisan planeettojen liikkeen lainsa avulla. Hänet tunnetaan myös siitä, että hän työskenteli taittumisen tieteen parissa – valon jakautuminen sen värikomponentteihin – ja silmälasien korjauksen perustutkimuksen parissa.
Kepler syntyi Weil der Stadtissa Saksassa köyhään perheeseen. 1500-luvulla uskonto oli vielä vastuussa väestön koulutuksesta, joten Kepler opiskeli uskonnollisissa kouluissa. Hän aloitti opinnot Tübingenin yliopistossa vuonna 1589. Hän halusi teologiksi, mutta Jumalan kunnioitus johti hänet tähtitieteen pariin. Keplerin työn tarkoitus oli aina uskonnollinen: hän halusi ymmärtää maailmankaikkeutta ymmärtääkseen Jumalaa.
Keplerin matematiikanopettaja, saksalainen tähtitieteilijä Michael Maestlin, lainasi Keplerille kommentoidun kopion Kopernikuksen kirjasta De revolutionibus orbium coelestium (Taivaankehien kiertokulusta). Tuohon aikaan tutkijat olivat jo pitkään hyväksyneet ajatuksen maapallokeskeisestä maailmankaikkeudesta. Tutkijat eivät hyväksyneet Kopernikuksen näkemystä aurinkokeskeisyydestä hänen elinaikanaan, mutta Kepler sanoi voivansa tuntea siinä Jumalan työn. Hän päätti omistaa elämänsä todistaakseen Kopernikuksen teorian oikeaksi. Hän kirjoitti:
Minä pidän paljon parempana yksittäisen älykkään miehen terävintä kritiikkiä kuin massojen ajattelematonta hyväksyntää.
Vuonna 1595 Kepler opetti matematiikkaa lukiossa. Hän ei ollut hyvä opettaja, sillä hän ei ollut dynaaminen ja mutisi usein itsekseen. Eräänä päivänä opettaessaan hän sai syvällisen (joskin virheellisen) ilmestyksen. Hän ajatteli, että tuolloin tunnettujen kuuden planeetan (Merkurius, Venus, Maa, Mars, Jupiter ja Saturnus) välimatkat voitaisiin selittää kuvaamalla ja ympyröimällä palloja ja viittä platonista kiinteää ainetta. Hän kirjoitti:
Maa on pallo, kaiken mitta; sen ympärille kuvataan dodekaedri; tämän sisältävä pallo on Mars. Marsin ympärillä kuvaa tetraedri; pallo, joka sisältää tämän, on Jupiter. Kuvaile Jupiterin ympärille kuutio; tämän sisältävä pallo on Saturnus. Kirjoittakaa nyt Maahan ikosaedri: siihen piirretty pallo on Venus; kirjoittakaa Venukseen oktaedri: siihen piirretty ympyrä on Merkurius.”
Tämä teos osoittautui vääräksi, mutta aluksi se näytti oikealta, sillä kaikkien planeettojen osalta, Jupiteria lukuun ottamatta, vallitsi viiden prosentin tarkkuudella yksimielisyys. Kepler jatkoi ajatuksen työstämistä ja yritti todistaa sen todeksi vuosien ajan.
Keplerin aurinkokunta hänen teoksestaan Mysterium Cosmographicum, 1596 Wikimedia Commonsin kautta.
Vuonna 1600 varhainen tähtitieteilijä William Gilbert julkaisi kuuluisan varhaisen teoksensa De Magnete, joka käsitteli Maan magneettista luonnetta. Kepler tarttui ajatukseen, että magnetismi voisi olla avainasemassa sellaisen järjestelmän löytämisessä, joka selittäisi Marsin taantumuksellisen liikkeen. Jälleen kerran hän oli väärässä, mutta kuten tieteessä niin usein käy, väärille teille kulkeminen johti hänet lopulta suureen löytöön.
Lue lisää:
Kepler tarvitsi tarkkoja tietoja voidakseen voittaa niin sanotun sodan Marsin kanssa. Mutta hän tiesi, että hänen aikansa tähtitieteelliset tietotaulukot olivat epätarkkoja, eivätkä ne olisi riittäneet tehtävään. Samaan aikaan, niin ikään vuonna 1600, tanskalainen tähtitieteilijä Tycho Brahe oli hankkimassa paljon tarkempia tähtitieteellisiä tietoja planeettojen sijainnista. Hän kutsui Keplerin linnaansa ja observatorioonsa Uraniborgiin Prahan lähelle.
Aluksi nämä kaksi tähtitieteilijää eivät tulleet toimeen keskenään. Kepler halusi ratkaista taivaan arvoituksen; Tycho ei oikein halunnut jakaa tietojaan, ja hän käytti aikansa vieraiden viihdyttämiseen ja juomiseen.
Vain vuosi Keplerin saapumisen jälkeen Tycho kuitenkin kuoli oudoissa olosuhteissa ja testamenttasi tähtitieteelliset mittaustuloksensa Keplerille.
Lue lisää Tycho Brahen suuresta panoksesta
Keplerin 1. laki sanoo, että planeetat liikkuvat Auringon ympäri ellipsin muotoisella kiertoradalla siten, että Auringon polttopiste on ellipsin yhdessä pisteessä. Image via OneMinuteAstronomer.
Tychon tietojen avulla Kepler pystyi tarkentamaan malliaan planeettojen liikkeestä. Se johti hänet luomaan sen, mitä nykyään kutsumme Keplerin kolmeksi planeetan liikkeen laiksi. Ensimmäinen planeettojen liikkeen laki sanoo:
Planeetat liikkuvat auringon ympäri elliptisellä radalla, jossa aurinko on yksi polttopisteistä.
Kepler kirjoitti:
Minut ajoi melkein hulluuden partaalle tämän asian pohtiminen ja laskeminen. En saanut selville, miksi planeetta mieluummin kulkisi elliptisellä radalla. Voi minua naurettavaa! Fysikaalisista periaatteista johdetulla, kokemuksen kanssa sopusoinnussa olevalla päättelyllä planeetan kiertoradalle ei jää muuta kuvaa kuin täydellinen ellipsi.”
Keplerin 2. lain havainnollistaminen. Image via Gonfer via Wikimedia Commons.
Planeetan liikkeen toinen laki sanoo:
Kiertävä planeetta pyyhkäisee yhtä suuria alueita yhtä suurina aikaväleinä.
Vuonna 1619 Kepler julkisti kolmannen planeettojen liikkeen lain:
Kiertoaika neliöitynä semi-major-akselilla (planeetan ja auringon välinen pisin etäisyys) kuutioituna antaa vakion.
Keplerin työ oli Isaac Newtonin työn perusta painovoiman toiminnan määrittelyssä ja selittämisessä. Newton käytti Keplerin lakeja muotoillessaan maailmankaikkeuden gravitaatiolakiaan. Se pysyi voimakkaimpana ymmärryksenä painovoimasta (ja siten koko kosmoksesta), jonka maailma oli koskaan tuntenut, kunnes Albert Einstein ilmestyi näyttämölle 1900-luvun alussa.
Tässä kuvituksessa on kuvattu kahden planeetan kiertoratoja, jotka kuvaavat kaikkia kolmea Keplerin lakia. Lue lisää tästä kuvasta, joka on Wikimedia Commonsin kautta.
Tähtitieteen lisäksi Kepler oli kiinnostunut myös optiikasta. Hän selitti, miten kaukoputki toimii, miten taittuminen tapahtuu silmissämme ja syvyyshavainnon ilmiö eli se, miten kolmannen ulottuvuuden hahmottamiseen tarvitaan molemmat silmät. Hän selitti myös, miten silmälasilinssit kompensoivat huonon näön aiheuttamia vääristymiä, mikä muodostaa tieteellisen perustan nykyiselle näönkorjauskäytännölle.
Keplerillä oli koko elämänsä ajan uskonnollinen näkemys tieteellisestä työstään. Hän tunsi pääsevänsä lähemmäs luonnon ymmärtämistä ja siten lähemmäs Jumalaa.
Hän kuoli 15. marraskuuta 1630 Regensburgissa sairauden vuoksi. Nykyään muistamme hänet yhtenä historian suurimmista tiedemiehistä. NASAn tehokas ja menestyksekäs Kepler-planeetanmetsästäjä on nimetty hänen mukaansa.
Taiteilijan konsepti Kepler-planeetanmetsästysavaruusaluksesta katsomassa Cygnuksen tähdistöä, NASAn välityksellä.
Pohj: Kepler syntyi tänään 445 vuotta sitten. Hänet muistetaan kolmesta planeettojen liikkeen laista sekä optiikan ja geometrian alalla tekemästään työstä.
Daniela Breitman – kanadalainen kirjoittaja, joka työskenteli aiemmin From Quarks to Quasars -sivuston palvelimella – opiskelee tällä hetkellä soveltavan luonnontieteen opintoja tavoitteenaan ryhtyä astrofyysikoksi. Hän harrastaa valokuvausta, rakastaa myös kirjoittamista ja kirjallisuutta ja on suuri scifi-fani. Itse asiassa hän suhtautuu intohimoisesti moneen asiaan.