Keplerin lakien materiaali
Muistatko ensimmäisen autoajosi (etkä vauvana)? Liikkuvassa autossa näit puut tai rakennukset ikään kuin liikkuisivat. Tuolloin olisit ehkä luullut puut tai rakennukset liikkuvan, kun sinä ja auto olitte paikallanne. Todellisuudessa sinä ja auto liikkuitte, kun puut tai rakennukset olivat paikallaan. Koemme tätä näennäistä liikettä tai valheellista liikettä joka päivä. Joka aamu aurinko "nousee" itähorisontissa, sitten liikkuu länteen ja "laskee" länsihorisontissa iltapäivällä. Samoin yöllä näet usein kuun liikkuvan idästä länteen. Oletko koskaan ajatellut tai epäillyt, että aurinko ja kuu liikkuvat maan ympäri maan ollessa paikallaan?
Muinaiset ihmiset (varhaisella jKr.) uskoivat myös, että aurinko, kuu ja muut taivaankappaleet pyörivät Maan ympäri, kun taas Maa pysyi paikallaan. Toisin sanoen Maata pidettiin maailmankaikkeuden keskuksena (geosentrinen). Tämä oletus perustui ihmisen rajalliseen aistikokemukseen, jossa hän havaitsi päivittäin auringon, kuun ja tähtien liikkuvan, kun taas Maa havaittiin paikallaan. Se on samanlaista kuin liikkuvassa autossa ollessa näkisi puut tai rakennukset liikkuvan. Tätä ajatusta, että Maa on maailmankaikkeuden keskus, tutki ja kehitti kreikkalainen tähtitieteilijä Claudius Ptolemaios (100-170 jKr.) toisella vuosisadalla jKr., ja sitä pidettiin uskossa seuraavat 1 400 vuotta.
Ptolemaioksen mukaan Maa on aurinkokunnan keskipiste. Aurinko ja planeetat kiertävät ympyrää (rotaatio), jonka keskipiste kiertää Maata ympyräradalla (kierto).
Vuonna 1543 puolalainen tähtitieteilijä Nikolaus Kopernikus (1473–1543) esitti heliosentrisen mallin, jossa Aurinko on aurinkokunnan keskipisteessä. Planeetat, Maa mukaan lukien, kiertävät ympyrää (rotaatio), jonka keskipiste kiertää Aurinkoa ympyräradalla (kierto). Kopernikuksella oli Ptolemaiosta edistyneempi ymmärrys, ja hän sijoitti Auringon aurinkokunnan keskipisteeseen. Kopernikus käytti kuitenkin edelleen ympyröitä mallina planeettojen kiertoradoille.
Kuuluisa tanskalainen tähtitieteilijä nimeltä Tyko Brahe (1546–1601) oli viimeinen tähtitieteilijä, joka havaitsi taivaankappaleita pelkästään silmin. Tehtyään havaintoja vuosina 1576–1599 Tyko Brahe teki yhteistyötä saksalaisen tähtitieteilijän, Johannes Keplerin (1571–1630), kanssa, joka oli myös matemaatikko. Kepler oli Tyko Brahen avustaja. Tyko Brahen ja Keplerin yhteistyö ei kestänyt kauan, koska Tyko Brahe kuoli. Tyko Brahen kuoleman jälkeen Kepler käytti opettajansa hankkimia tähtitieteellisiä tietoja ja käytti noin kaksikymmentä vuotta elämästään matemaattisen mallin luomiseen planeettojen liikkeen selittämiseksi.
Keplerin ensimmäinen tähtitieteellinen teos, Maailmankaikkeuden mysteerit, julkaistiin vuonna 1596. Siinä hän yritti löytää harmonian Kopernikuksen planeettojen kiertoratojen ja Tyko Brahen havaintojen välillä. Kepler ei kuitenkaan onnistunut löytämään harmoniaa Kopernikuksen ja Ptolemaioksen kehittämien mallien ja Tyko Brahen havaintojen välillä. Siksi hän hylkäsi Ptolemaioksen ja Kopernikaanin mallit ja yritti löytää uuden mallin. Vuonna 1609 Kepler havaitsi, että ellipsi vastasi täydellisesti Tyko Brahen havaintoja. Kepler ei enää käyttänyt ympyröitä taivaankappaleiden kiertoratojen muotona, vaan ellipsejä.
Kepler esitti tämän lain puoli vuosisataa ennen kuin Isaac Newton esitti kolme liikelakiaan ja yleismaailmallisen painovoimalain.
Keplerin ensimmäinen laki
Kunkin planeetan rata sen kiertäessä aurinkoai, ellipsin muotoinen, jossa aurinko sijaitsee yhdessä polttopisteistä.
Keplerin toinen laki
Kuvitteellinen viiva, joka yhdistää auringon planeettaan, pyyhkäisee yhtä suuret alueet yhtä pitkinä ajanjaksoina.
Keplerin kolmas laki
Jakson neliön suhde planeetan keskimääräisen etäisyyden kuutioon auringosta (T2/r3) on vakio ja sen arvo on sama kaikille planeetoille.
