Zonnestelsel (slechts 6 planeten afgebeeld) door NASA en Kepler door onbekende kunstenaar via Wikimedia Commons.
December 27, 1571. De Duitse astronoom en wiskundige Johannes Kepler werd vandaag 446 jaar geleden geboren. We herinneren ons hem omdat hij geloofde in het Copernicaanse model – een zonnestelsel met het middelpunt van de zon en niet de aarde als middelpunt – terwijl weinig anderen dat deden, en omdat hij de waarheid van de theorie aantoonde met zijn drie beroemde wetten van de beweging van de planeten. Hij staat ook bekend om zijn werk aan de wetenschap van de breking – de splitsing van licht in de samenstellende kleuren – en voor de basiswetenschap achter het corrigeren van brillen.
Kepler werd geboren in Weil der Stadt, Duitsland in een arm gezin. In de 16e eeuw was de godsdienst nog verantwoordelijk voor de opvoeding van de bevolking, en dus studeerde Kepler aan religieuze scholen. Hij begon te studeren aan de universiteit van Tubingen in 1589. Hij wilde theoloog worden, maar zijn ontzag voor God leidde hem naar de astronomie. Het doel van Keplers werk was altijd religieus: hij wilde het heelal begrijpen om God te begrijpen.
Keplers wiskundeleraar, de Duitse astronoom Michael Maestlin, leende Kepler een geannoteerd exemplaar van Copernicus’ boek, De revolutionibus orbium coelestium (Over de omwentelingen van de hemelse sferen). In die tijd was het idee van een op de aarde gecentreerd heelal al lang geaccepteerd onder geleerden. Copernicus’ opvatting van een op de zon gecentreerd heelal werd tijdens zijn leven niet door geleerden aanvaard, maar Kepler zei dat hij Gods werk daarin kon voelen. Hij besloot zijn leven te wijden aan het bewijzen van de juistheid van Copernicus’ theorie. Hij schreef:
Ik heb veel liever de scherpste kritiek van een enkele intelligente man dan de ondoordachte goedkeuring van de massa.
In 1595 was Kepler wiskundeleraar op een middelbare school. Hij was geen goede leraar, want hij was niet dynamisch en mompelde vaak in zichzelf. Op een dag, terwijl hij lesgaf, had hij een diepgaande (maar onjuiste) openbaring. Hij dacht dat de onderlinge afstand van de zes toen bekende planeten (Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter en Saturnus) verklaard kon worden door het inscriberen en omcirkelen van bollen en de vijf platonische vaste lichamen. Hij schreef:
De Aarde is de bol, de maat van alles; rond haar beschrijf een dodecaëder; de bol die deze omvat zal Mars zijn. Beschrijf rond Mars een tetraëder; de bol die deze omvat zal Jupiter zijn. Beschrijf rond Jupiter een kubus; de sfeer inclusief deze zal Saturnus zijn. Schrijf nu in de aarde een icosaëder; de bol die daarin is ingeschreven zal Venus zijn; schrijf in Venus een octaëder; de cirkel die daarin is ingeschreven zal Mercurius zijn.
Dit werk bleek onjuist, maar het leek aanvankelijk waar, want er was een overeenstemming tot op 5 procent voor alle planeten, met uitzondering van Jupiter. Kepler bleef jarenlang aan het idee werken en probeerde te bewijzen dat het waar was.
Keplers zonnestelsel uit zijn Mysterium Cosmographicum, 1596 via Wikimedia Commons.
In 1600 publiceerde de vroege astronoom William Gilbert zijn beroemde vroege werk De Magnete, een bespreking van de magnetische aard van de aarde. Kepler greep het idee aan dat magnetisme de sleutel zou kunnen zijn tot het vinden van een systeem dat de retrograde beweging van Mars zou kunnen verklaren. Opnieuw had hij het mis, maar zoals zo vaak in de wetenschap leidde het bewandelen van verkeerde wegen hem uiteindelijk tot een grote ontdekking.
Lees meer: Wat is retrograde beweging?
Kepler had nauwkeurige gegevens nodig om te kunnen winnen wat hij beschreef als de Oorlog met Mars. Maar hij wist dat de astronomische gegevenstabellen van zijn tijd onnauwkeurig waren en de klus niet zouden klaren. Ondertussen, ook in 1600, was de Deense astronoom Tycho Brahe bezig veel nauwkeurigere astronomische gegevens over de posities van de planeten te verzamelen. Hij nodigde Kepler uit op zijn kasteel en observatorium, Uraniborg, bij Praag.
In het begin konden de twee astronomen niet met elkaar opschieten. Kepler wilde het mysterie van de hemel oplossen; Tycho wilde zijn gegevens niet echt delen, en hij bracht zijn tijd door met het vermaken van gasten en drinken.
Maar slechts een jaar na Keplers aankomst stierf Tycho onder vreemde omstandigheden en liet zijn astronomische metingen na aan Kepler.
Lees meer over Tycho Brahe’s grote bijdrage
De 1e Wet van Kepler stelt dat planeten in een elliptische baan om de zon bewegen met de zon in één brandpunt van de ellips. Afbeelding via OneMinuteAstronomer.
Tycho’s gegevens stelden Kepler in staat zijn model voor de beweging van planeten te verfijnen. Het leidde hem tot wat we tegenwoordig de drie wetten van Kepler voor de beweging van de planeten noemen. De eerste wet van de beweging van de planeten luidt:
Planeten bewegen rond de zon in een elliptische baan, waarbij de zon een van de brandpunten is.
Kepler schreef:
Ik werd bijna tot waanzin gedreven bij het overwegen en berekenen van deze materie. Ik kon er niet achter komen waarom de planeet liever een elliptische baan zou hebben. O, wat belachelijk! Met redeneringen ontleend aan natuurkundige principes, die overeenkomen met de ervaring, blijft er geen andere figuur over voor de baan van de planeet dan een perfecte ellips.
Een illustratie van de 2e Wet van Kepler. Afbeelding via Gonfer via Wikimedia Commons.
De tweede wet van de planeetbeweging luidt:
Een planeet die rond zijn baan draait, doorkruist gelijke oppervlakten in gelijke tijdsintervallen.
In 1619 kondigde Kepler zijn derde wet van de planeetbeweging aan:
De omlooptijd in het kwadraat over de halve lange as (langste afstand tussen een planeet en de zon) in het kwadraat geeft een constante.
Het werk van Kepler vormde de basis voor het werk van Isaac Newton bij het definiëren en verklaren van de werking van de zwaartekracht. Newton gebruikte de wetten van Kepler om zijn wet van de universumgravitatie te formuleren. Het bleef het krachtigste begrip van de zwaartekracht (en dus van de kosmos als geheel) dat de wereld ooit had gekend, totdat Albert Einstein in het begin van de 20e eeuw op het toneel verscheen.
Er zijn 2 planetenbanen afgebeeld in deze illustratie van alle 3 de wetten van Kepler. Lees meer over deze afbeelding, die via Wikimedia Commons komt.
Naast astronomie was Kepler ook geïnteresseerd in optica. Hij legde uit hoe een telescoop werkt, hoe breking optreedt in onze ogen, en het fenomeen diepteperceptie, dat wil zeggen hoe beide ogen nodig zijn om de derde dimensie waar te nemen. Hij legde ook uit hoe brillenglazen de vervormingen compenseren die worden veroorzaakt door slecht zicht, wat de wetenschappelijke basis vormde van de huidige praktijk van gezichtscorrectie.
Zijn leven lang had Kepler een religieuze kijk op zijn wetenschappelijk werk. Hij had het gevoel dat hij de natuur steeds beter begreep en daardoor dichter bij God kwam.
Hij stierf op 15 november 1630 in Regensburg als gevolg van ziekte. Vandaag herinneren we hem als een van de grootste wetenschappers uit de geschiedenis. NASA’s krachtige en succesvolle Kepler-planetenjager is naar hem vernoemd.
Concept van het Kepler-planetenjachtruimtevaartuig dat het sterrenbeeld Cygnus bekijkt, via NASA.
Bodemlijn: Kepler werd vandaag 445 jaar geleden geboren. Hij wordt herinnerd om zijn drie wetten van planetaire beweging en zijn werk in de optica en geometrie.
Daniela Breitman – een Canadese schrijfster, voorheen bij From Quarks to Quasars – studeert momenteel Toegepaste Wetenschappen met als doel astrofysicus te worden. Ze is amateurfotograaf, maar houdt ook van schrijven en literatuur en is een enorme fan van sciencefiction. In feite is ze gepassioneerd over veel dingen.