Кеплер поставил перед собой великую цель – постичь Божественный план творения мира. Он полагал, что Бог сотворил мир по идеальным, математически совершенным числовым отношениям и геометрическим формам. Кеплер пытался с помощью геометрии объяснить количество планет в Солнечной системе. В геометрии доказывается, что существуют только пять правильных многогранников, т.е. составленных из фигур с равными сторонами и углами. Примерами являются тетраэдр и куб. Кеплеру удалось построить систему сфер, вписанных в многогранники и описанных вокруг них, причем, радиусы этих сфер относились, как расстояния от планет до Солнца. Долгие поиски числовой гармонии мира увенчались открытием законов движения планет. Кеплер изложил свои открытия в сочинениях «Новая, изыскивающая причины астрономия, или Физика неба» (1609) и «Гармония мира» (1619).
Первый закон Кеплера. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
Второй закон Кеплера. Радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади.
Поскольку расстояние от планеты до Солнца периодически меняется, площади фигур, которые описывают радиус-векторы, будут равны, если скорость планеты также будет периодически изменяться. В перигелии, т.е. на ближайшем расстоянии от Солнца, скорость планеты наибольшая, а в афелии, на максимальном расстоянии, эта скорость наименьшая. Таким образом, законы Кеплера разрушили многовековое убеждение астрономов в том, в мире планет возможно только «совершенное» движение – равномерное движение по окружности.
До Кеплера астрономы строили кинематические модели мира. Иными словами, они стремились лишь описать движение планет, не выясняя причины этого движения. Кеплер понял, что вращение планет вызывает единая физическая сила и тем самым поставил проблему – определение ее природы.
Кеплер обратил внимание на то, что по мере удаления от Солнца уменьшается скорость движения планет. Возможны два объяснения. Первое заключается в том, что сила, которая движет планету, находится в ней самой. Второе объяснение движущей силой наделяет Солнце, которое на более близкие планеты действует сильнее, чем на более далекие. Кеплер предпочел второе, поскольку оно лучше объясняло законы движения планет.
Через десять лет после опубликования двух законов Кеплер открыл третий.
Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.
Этот закон еще в большей степени убедил Кеплера в том, что именно Солнце управляет движением планет.
Кеплер полагал, что сила, приводящая планеты в движение, имеет магнитную природу. Это вихрь, возникающий в эфире из-за вращения магнитного Солнца. Планеты – тоже большие магниты. Поскольку они вращаются, то и обращаются друг к другу и к Солнцу разными полюсами. Поэтому их орбиты имеют форму не круга, а эллипса.
Понадобился гений Ньютона, что возвестить миру – сила, которая удерживает планеты вокруг Солнца имеет гравитационную природу.