Tài liệu về các định luật Kepler
Bạn còn nhớ lần đầu tiên mình đi ô tô (không phải lúc còn bé)? Khi ngồi trong xe đang chạy, bạn có cảm giác như cây cối hay các tòa nhà đang chuyển động. Lúc đó, bạn có thể nghĩ rằng cây cối hay các tòa nhà đang chuyển động, trong khi bạn và chiếc xe thì đứng yên. Trên thực tế, bạn và chiếc xe đang chuyển động, còn cây cối hay các tòa nhà thì vẫn đứng yên. Chúng ta thực sự trải nghiệm chuyển động ảo này mỗi ngày. Mỗi buổi sáng, mặt trời "mọc" ở chân trời phía đông, sau đó di chuyển về phía tây và "lặn" ở chân trời phía tây vào buổi chiều. Tương tự, vào ban đêm, bạn thường thấy mặt trăng di chuyển từ đông sang tây. Bạn đã bao giờ nghĩ hoặc nghi ngờ rằng mặt trời và mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất, trong khi trái đất vẫn đứng yên chưa?
Người xưa (đầu Công nguyên) cũng tin rằng mặt trời, mặt trăng và các thiên thể khác quay quanh Trái đất, trong khi Trái đất đứng yên. Nói cách khác, Trái đất được coi là trung tâm của vũ trụ (thuyết địa tâm). Giả định này dựa trên kinh nghiệm giác quan hạn chế của con người, khi hàng ngày quan sát thấy mặt trời, mặt trăng và các vì sao chuyển động, trong khi Trái đất được cảm nhận là đứng yên. Điều này tương tự như khi bạn đang ở trong một chiếc xe đang di chuyển, nhưng lại thấy cây cối hoặc các tòa nhà đang chuyển động. Ý tưởng cho rằng Trái đất là trung tâm của vũ trụ đã được nhà thiên văn học Hy Lạp Claudius Ptolemy (100-170 sau Công nguyên) nghiên cứu và phát triển vào thế kỷ thứ hai sau Công nguyên và được tin tưởng trong suốt 1400 năm tiếp theo.
Theo Ptolemy, Trái Đất nằm ở trung tâm hệ mặt trời. Mặt Trời và các hành tinh quay quanh trục của chúng theo một vòng tròn (tự quay), còn tâm của vòng tròn này lại quay quanh Trái Đất theo một quỹ đạo tròn (quay quanh Mặt Trời).
Năm 1543, nhà thiên văn học người Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473–1543) đã đề xuất mô hình nhật tâm, trong đó Mặt Trời nằm ở trung tâm hệ Mặt Trời. Các hành tinh, bao gồm cả Trái Đất, quay quanh một vòng tròn (quay), với tâm của vòng tròn này quay quanh Mặt Trời theo một quỹ đạo tròn (quay quanh Mặt Trời). Copernicus có sự hiểu biết tiên tiến hơn Ptolemy khi đặt Mặt Trời ở trung tâm hệ Mặt Trời. Tuy nhiên, Copernicus vẫn sử dụng các vòng tròn làm mô hình cho quỹ đạo của các hành tinh.
Nhà thiên văn học nổi tiếng người Đan Mạch, Tycho Brahe (1546 – 1601), là nhà thiên văn học cuối cùng quan sát các vật thể trên bầu trời chỉ bằng mắt thường. Sau khi thực hiện các quan sát từ năm 1576 đến năm 1599, Tycho Brahe đã hợp tác với một nhà thiên văn học người Đức, Johannes Kepler (1571 – 1630), người cũng là một nhà toán học. Kepler là trợ lý của Tycho Brahe. Sự hợp tác giữa Tycho Brahe và Kepler không kéo dài lâu vì Tycho Brahe qua đời. Sau khi Tycho Brahe mất, Kepler đã sử dụng dữ liệu thiên văn học thu được từ người thầy của mình và dành khoảng hai mươi năm cuộc đời để tạo ra một mô hình toán học nhằm giải thích chuyển động của các hành tinh.
Tác phẩm đầu tiên của Kepler trong lĩnh vực thiên văn học, "Những bí ẩn của vũ trụ", được xuất bản năm 1596. Trong đó, ông cố gắng tìm sự hài hòa giữa quỹ đạo hành tinh của Copernicus và các quan sát của Tycho Brahe. Tuy nhiên, Kepler đã không tìm thấy sự hài hòa giữa các mô hình do Copernicus và Ptolemy phát triển với các quan sát của Tycho Brahe. Do đó, ông đã từ bỏ các mô hình Ptolemaic và Copernican và cố gắng tìm một mô hình mới. Năm 1609, Kepler phát hiện ra rằng hình elip hoàn toàn phù hợp với các quan sát của Tycho Brahe. Kepler không còn sử dụng hình tròn làm hình dạng quỹ đạo của các thiên thể nữa, mà thay vào đó là hình elip.
Định luật này được Kepler đưa ra nửa thế kỷ trước khi Isaac Newton đưa ra ba định luật chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn.
Định luật thứ nhất của Kepler
Quỹ đạo của mỗi hành tinh khi quay quanh mặt trời.i, Có hình elip, trong đó Mặt Trời nằm ở một trong hai tiêu điểm.
Định luật thứ hai của Kepler
Một đường thẳng tưởng tượng nối mặt trời với một hành tinh sẽ quét ra những vùng có diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.
Định luật thứ ba của Kepler
Tỷ lệ giữa bình phương chu kỳ và lập phương khoảng cách trung bình của hành tinh đến mặt trời (T)2/r3) là hằng số và giá trị của nó là như nhau đối với tất cả các hành tinh.
