34. DE WETTEN VAN KEPLER.

Kepler begon zijn werk met een onderzoek van de beweging van Mars.

Uit Tycho's waarnemingen leidde hij met groote nauwkeurigheid alle

opposities van 1580 tot 1600 af, zoowel den tijd als de plaats aan

den hemel; daaruit kon hij, op dezelfde wijze als wij boven gedaan

hebben, de beweging van Mars gedurende den geheelen omloop afleiden,

en zoo was hij in staat voor elk oogenblik de richting van de

planeet, van uit de zon gezien, nauwkeurig te berekenen. Daarmee was

de grondslag gelegd; door hiermee de plaatsen te vergelijken, waar

Mars elk oogenblik van uit de aarde gezien was, kon hij zijn afstand

tot de zon berekenen.

Nu deed zich hier een moeilijkheid voor; de als bekend

veronderstelde maatstaf, de afstand van de aarde tot de zon, was

zelf niet altijd gelijk en kon niet eenvoudig als bekend aangenomen

worden. Maar deze moeilijkheid was op twee manieren te vermijden.

Ten eerste kon Kepler een aantal waarnemingen opzoeken, die juist

een vol aantal jaren uit elkaar lagen, waarbij de aarde zich dus

telkens op dezelfde plaats van haar baan bevonden had (in A van de

eerste figuur), terwijl Mars daarbij op verschillende plaatsen M1 M2

M3 M4 gestaan had; de afstanden van Mars tot de zon waren dan alle

in dezelfde maat Z A uitgedrukt. Hij kon echter ook een aantal

waarnemingen uitzoeken, die juist een vol aantal Marsomloopen uit

elkaar lagen, waarbij dus Mars telkens op dezelfde plaats had

gestaan (M in de tweede figuur), de aarde daarentegen op

verschillende plaatsen A1 A2 A3 A4.

[Illustratie: Afstanden van Mars.]

[Illustratie: Afstanden van de aarde.]

De verhouding der afstanden, die door de berekening gevonden werd,

leerde in dit geval hoeveel de afstanden van de zon naar A1 A2 A3 A4

onderling verschilden, uitgedrukt in een enkelen Marsafstand als

vaste maat. Terwijl de eerste methode den vorm van de Marsbaan deed

kennen, werd op deze tweede manier de gedaante van de aardbaan

gevonden, die als grondslag voor alle verdere berekeningen kon

dienst doen.

Kepler nam evenals al zijn voorgangers aan, dat de banen der

planeten excentrische cirkels waren. Wat hij dus als gedaante der

baan te bepalen had, was niets anders dan de grootte van de

excentriciteit. Inderdaad bleek het hem, dat de gedaante van de

aardbaan in niets van een cirkel verschilde, waarin de zon iets

buiten het midden stond, en wel 1/60 van den straal; naar den eenen

kant was de afstand van de aarde tot de zon 1/30 grooter dan naar

den anderen kant. De plaats waar de aarde het dichtst bij de zon

kwam, stemde ook precies overeen met de plaats, waar de snelheid van

de zon aan den hemel het grootst is. Maar het bedrag der

excentriciteit kwam niet uit; uit de wisselende snelheid van de zon

aan den hemel volgde, zooals wij ook gevonden hebben, dat zij 1/30

buiten het middelpunt moet staan, terwijl Kepler nu slechts half

zooveel, slechts 1/60 vond.

Bij Mars vertoonde zich hetzelfde verschil. Uit de grootste en de

kleinste snelheid aan den hemel vond Kepler zeer nauwkeurig een

bedrag voor de excentriciteit van 0,1856 -- wij vonden boven ook

iets minder dan 1/5. Toen hij echter den grootsten en den kleinsten

afstand van Mars tot de zon direkt uit zijn driehoeken berekende,

vond hij voor den eersten 1,6678, voor den tweeden 1,3850 keer den

straal van de aardbaan. De straal van de Marsbaan is het gemiddelde

van deze getallen, dus 1,5264 keer den straal van de aardbaan, en de

zon ligt het halve verschil van die beide getallen, dus 0,1414 keer

den aardbaanstraal buiten het middelpunt. Dit is 0.1414/1.5264 ==

0,0926 keer de straal van de Marsbaan; ook hier bij Mars zien wij,

_dat de excentriciteit uit de driehoeksmeting slechts half zoo groot

wordt gevonden als uit de wisselende snelheid aan den hemel_.

Nu kan er geen oogenblik twijfel bestaan, welke van die beide

uitkomsten juist is. Het kleinere bedrag is uit direkte metingen en

berekeningen gevonden, waarbij niets onzeker is; het grootere was

afgeleid in de onderstelling, dat de werkelijke snelheid in de

cirkelbaan steeds evengroot blijft. Bewijzen voor deze onderstelling

hebben wij geen andere dan het geloof, dat een steeds gelijk

blijvende snelheid tot de natuur van een cirkelbaan behoort. Het

blijkt nu, dat dit geloof ongegrond en de onderstelling onjuist is:

de werkelijke snelheid van een planeet in haar cirkelbaan is

veranderlijk.

Dit was nu geen nieuwe ontdekking. Reeds in de oudheid was dit

verschijnsel bij Mars, Jupiter en Saturnus opgemerkt, en Ptolemaeus

had het in zijn planetentheorie reeds op een eigenaardige,

vernuftige manier in rekening gebracht. Van uit het centraallichaam,

de zon (bij hem natuurlijk de aarde) gezien, is de schijnbare

snelheid van Mars aan den eenen kant 1/5 grooter, aan den anderen

kant 1/5 kleiner dan de gemiddelde. Zoeken wij dus een plaats, van

waaruit de snelheid zich beide malen evengroot vertoont, het

"middelpunt van beweging," dan moet de zon aan den eenen kant 1/5

dichter bij Mars zijn dan dit punt, aan den anderen kant 1/5 verder

af.

[Illustratie]

Vroeger meenden wij, dat dit punt het middelpunt van den

planetencirkel was; nu is ons echter gebleken, dat de zon slechts

1/10 buiten het middelpunt van den cirkel ligt. Hoe is dit met

elkaar te harmonieeren? Door het middelpunt van beweging aan den

anderen kant buiten het cirkelmiddelpunt te plaatsen, tegenover de

zon. Het middelpunt van den cirkel M ligt midden tusschen de zon Z

en het middelpunt van beweging A; van uit A schijnt de planeet

volkomen regelmatig rond te loopen, maar de baan is geen cirkel om

A, doch om M. Op die manier worden de waarnemingen geheel verklaard.

In a is de planeet 1/10 verder, in c 1/10 minder ver van A af: dus

zal de weg a b 1/10 grooter, en de weg c d, dien de planeet in

denzelfden tijd aflegt, 1/10 kleiner zijn dan de gemiddelde. De zon

is nu nog bovendien 1/10 dichter bij a, en 1/10 verder van c af; een

regelmatig loopende planeet zou dus in a 1/10 sneller, in c 1/10

langzamer schijnen. Daar in a echter de werkelijke snelheid al 1/10

grooter is, wordt de werking verdubbeld; de snellere beweging

schijnt op den korteren afstand 1/5 grooter, de langzamere beweging

op den grooteren afstand 1/5 kleiner dan gemiddeld.

Natuurlijk was de invoering van dit bijzondere "middelpunt van

beweging," van waaruit de beweging van de planeet zich geheel

regelmatig vertoont, slechts een formeel redmiddel om de oude

grondstelling van de volkomen regelmatigheid der cirkelbewegingen in

schijn te laten bestaan; in werkelijkheid was deze grondstelling

daarmee opgeheven.

Kepler had nu bewezen, dat bij Mars met de grootste nauwkeurigheid

de excentriciteit van de baan precies de helft van de uit de

beweging berekende excentriciteit was; daar hij bovendien voor het

eerst bij de aarde hetzelfde aantoonde, moest hij aannemen, dat dit

voor alle planeten gold. Maar de vorm, waarin Ptolemaeus het

verschijnsel uitgedrukt had, kon hem niet bevregen. Is de planeet

dan een bezield wezen, dat zijn snelheid naar een denkbeeldig punt

in de ruimte regelt?

[Illustratie: De wet der perken.]

Hoe kan een plaats in de ruimte, waar niets is, een plaats, die

alleen in wiskundig verband met de wezenlijke punten Z en M staat,

de beweging van de planeet beheerschen, en waarom moet die plaats

juist dáár liggen? Veel natuurlijker is het, een verband te zoeken

tusschen de wisselende snelheid van de planeet en het werkelijke

lichaam van de zon; want de zon beheerscht toch den loop der

planeten. En dan ligt het verband dadelijk voor de hand. In a is de

snelheid van de planeet 1/10 grooter en tegelijk de afstand tot de

zon 1/10 kleiner dan gemiddeld, en omgekeerd in c. De snelheden a b

en c d verhouden zich als 11 tot 9; de afstanden tot de zon Z a en Z

c als 9 tot 11. Dit verband kan zoo uitgedrukt worden, dat de

driehoekige oppervlakken of perken Z a b en Z c d even groot zijn.

Voor langere tijden voegen zich deze smalle driehoekige perken tot

grootere sektoren samen. Zoo luidt dan de eerste door Kepler

gevonden bewegingswet der planeten, de zoogenaamde _wet der perken:

de planeten bewegen zich zoo, dat in gelijke tijdsruimten even

groote sektoren of perken beschreven worden_.

Is het oppervlak 2 tweemaal zoo groot als het oppervlak 1, dan heeft

de planeet voor den weg f g een tweemaal langeren tijd noodig dan

voor den weg e f.

Nu kon Kepler zich aan het werk zetten om de proef op de som te

maken. Hij had voor de excentriciteit en voor de richting, waarin de

zon ten opzichte van het middelpunt staat, zoowel bij Mars als bij

de aarde, de nauwkeurigste getallen afgeleid; ook had hij de helling

en den stand van de Marsbaan ten opzichte van de ekliptika

nauwkeurig berekend, waarover wij hier niets gezegd hebben, ofschoon

zijn berekeningen daardoor veel moeilijker en bewerkelijker werden.

[Illustratie: JOHANNES KEPLER

(1571-1630)]

Als hij nu met deze gegevens voor den een of anderen dag de plaats

berekende, waar Mars zich, van uit de aarde gezien, bevinden moest,

dan moest dit binnen de grenzen der mogelijke kleine

waarnemingsfoutjes precies uitkomen met de plaats, waar Tycho op

dien dag de planeet werkelijk had waargenomen. Daaruit moest de

juistheid van zijn theorie blijken. Toen hij nu de proef uitvoerde,

bleek het, dat ze niet geheel uitkwam. Wel waren de afwijkingen

klein -- slechts een klein deel van een graad, dus zoo gering, dat

vroeger geen sterrekundige daarop zou gelet hebben. Kepler wist

echter, hoe nauwkeurig en betrouwbaar Tycho's waarnemingen waren;

hij wist dat de gevonden afwijkingen te groot waren, om door fouten

van Tycho verklaard te kunnen worden; de planeet had werkelijk op

een andere plaats gestaan, dan hij volgens zijn theorie berekend

had. Dus ging hij opnieuw aan het werk.

[Illustratie]

Lang heeft hij op de meest verschillende manieren beproefd, om

achter het raadsel te komen. De afwijkingen traden vooral op,

wanneer de planeet zich ergens halfweg tusschen haar grootsten en

haar kleinsten afstand tot de zon bevond, dus zijdelings van de

middellijn, waarop de zon stond. Hij berekende nu uit een aantal

waarnemingen in die gedeelten van de baan direkt volgens de

driehoeksmethode den afstand van de planeet tot de zon, en hij vond

hem inderdaad iets kleiner dan hij tot nog toe had aangenomen. Het

verschil was wel niet groot, slechts 1/230 van den straal; maar toch

was er geen twijfel aan, dat de planeet zich daar niet op den

aangenomen cirkel, doch iets _binnen dezen cirkel_ bevond. Was de

baancirkel dan te groot aangenomen? Neen, want op den grootsten en

kleinsten afstand tot de zon kwam het precies uit. Er was dus niet

aan te twijfelen: _de baan van Mars is geen cirkel. De baan van Mars

is zijdelings iets samengedrukt, in de richting naar de zon en van

de zon af iets langwerpig_. Allerlei onderstellingen over de natuur

van deze langwerpige figuur heeft Kepler op de proef gesteld, tot

hij eindelijk vond, dat zij een ellips was.

Wat is een ellips? Ieder kent ze, zij het ook niet bij name, als den

vorm van de schaduw van een cirkel. Houdt men een cirkelvormige

schijf of ring precies dwars in de zonnestralen, dan is de schaduw

op een papier, dat in dezelfde richting wordt gehouden, een cirkel.

Houdt men den ring echter schuin, aldoor schuiner, dan ziet men, dat

de schaduw in ééne richting steeds smaller wordt; zij wordt

langwerpig. Deze figuren zijn allemaal ellipsen; zij komen in alle

overgangen voor van een volkomen ronden cirkel, steeds smaller

wordend, tot een lijn zonder breedte. Iedere cirkel vertoont zich,

wanneer hij niet volkomen recht voor het oog wordt gehouden, in de

gedaante van een ellips.

[Illustratie: Ellips.]

De eenvoudige en mooie eigenschappen van deze ellipsen waren reeds

in de oudheid door een scherpzinnig wiskunstenaar, _Apollonius_ van

Pergae, ontdekt. De langste en de kortste middellijn, die groote en

kleine as genoemd worden, bepalen de gedaante van de ellips, die des

te langwerpiger is, naarmate de assen meer verschillen. Op de groote

as liggen ter weerszijden van het middelpunt twee merkwaardige

punten, die de brandpunten heeten. Zij liggen van de eindpunten der

kleine as zoover af, als de halve lengte van de groote bedraagt; in

onze figuur, waar A en B de brandpunten zijn, zijn A C en B C beide

even lang als M D. Hoe ronder de ellips is, des te dichter liggen de

brandpunten bij elkaar; hoe langwerpiger de ellips, des te meer

liggen de brandpunten in de spitse toppen; een cirkel zou men dus

een ellips kunnen noemen, waarbij de beide brandpunten in het

middelpunt samengevloeid zijn. De afstand van de brandpunten tot het

middelpunt, de excentriciteit, bepaalt dus ook de gedaante van de

ellips.

Deze brandpunten hebben nu de merkwaardige eigenschap, dat elk punt

der ellips van beiden te zamen evenver verwijderd is -- zij spelen

dus te zamen een rol, die het middelpunt in den cirkel speelt. De

afstanden A E en B E zijn te zamen altijd evengroot, wáár ook het

punt E ligt, dus gelijk aan A C + B C, of gelijk aan A D + B D, dus

gelijk aan de groote as.

[Illustratie: Hoe men een ellips teekent.]

Deze eigenschap vindt een nuttige toepassing bij het teekenen van een

ellips. In een papier steekt men twee spelden op de plaats van de

brandpunten; men legt er een samengeknoopten draad omheen en gaat nu

met een potlood zóó rond, dat het potlood dien draad aldoor gespannen

houdt. Wie een beetje handig in meetkunde is, kan uit deze eigenschap

gemakkelijk afleiden, dat de beide voerstralen A E en B E in het punt

E met de richting van de ellipslijn zelf gelijke hoeken maken. Heeft

men een spiegel in den vorm van een ellips gebogen, dan wordt een

lichtstraal, die in de richting A E op den spiegel valt, in de

richting E B teruggekaatst. Dit geldt voor elk punt van den spiegel;

staat dus een lichtbron in A, dan worden alle stralen, die op den

spiegel vallen, naar B gekaatst, waar zij zich als in een brandpunt

verzamelen; vandaar de naam dezer punten.

Zulk een ellips nu moest de Marsbaan zijn -- wel is waar, een zeer

ronde, daar de kleine as slechts 1/230 kleiner was dan de groote as.

Waar liggen nu de brandpunten van deze ellips? De berekening is

gemakkelijk uit te voeren met behulp van de beroemde stelling van

Pythagoras, waarnaar het kwadraat van de halve kleine as M C en het

kwadraat van de excentriciteit M B samen gelijk zijn aan het

kwadraat van de halve groote as B C. Bij een excentriciteit van 1/10

moet dus de kleine as 1/200 korter, bij een excentriciteit van 1/11

moet ze 1/242 korter dan de groote as zijn. In de gevonden Marsbaan

moeten dus de brandpunten nagenoeg 1/11 buiten het middelpunt

liggen. Maar juist op die plaats, 0,0926 keer de halve groote as

buiten het middelpunt bevindt zich de zon! _De Marsbaan is dus een

ellips en de zon bevindt zich in een der brandpunten van deze

ellips_.

Opeens was nu het raadsel opgelost, waarom de cirkels der planeten

excentrisch zijn. Zij zijn geen cirkels, maar ellipsen. Dat was bij

de andere planeten nu wel niet direkt te bewijzen, want hun banen

verschillen door de kleinheid van de excentriciteit zoo weinig van

cirkels, dat het in de waarnemingen in het geheel niet te voorschijn

kan treden -- Kepler had zijn ontdekking bij geen andere planeet dan

bij Mars kunnen doen. Maar de gevolgtrekking was toch niet van de

hand te wijzen, dat de excentriciteit ook bij de andere planeten

niets anders beteekent, dan dat hun banen zeer ronde ellipsen zijn

met de zon in het brandpunt. En zoo is dan de tweede wet van Kepler:

_De planeten bewegen zich om de zon in ellipsen, zoo, dat de zon in

een van de brandpunten staat_.

Zoo was de ware natuur van de planetenbanen onthuld. Nu bleef alleen

nog maar over, uit Tycho's waarnemingen nauwkeurige getallen af te

leiden voor de grootte, den vorm en den stand der baan; dan kon

daaruit voor alle toekomstige tijden de plaats van elke planeet aan

den hemel nauwkeurig vooruit berekend worden. In deze getallen, de

zoogenaamde "elementen" van de planetenbanen, die in de volgende

lijst staan, zooals Kepler ze opgeeft, zijn alle waarnemingen van

Tycho en alle berekeningen van Kepler samengevat, is al onze

wetenschap der planetenbewegingen in een kort bestek uitgedrukt. Zij

zijn, behalve de omloopstijd en de halve groote as: de

excentriciteit van de ellips, de lengte in de ekliptika, waarheen

dat uiteinde van de groote as gericht is, waar de planeet het

dichtst bij de zon komt (perihelium): verder de hoek, dien de

planetenbaan met de ekliptika maakt, en de plaats, waar de planeet

de ekliptika, van het Zuiden naar het Noorden gaande, passeert

(klimmende knoop).

Mercurius Venus Aarde Mars Jupiter Saturnus

halve

groote as 0,388 0,724 1 1,5235 5,1965 9,510

excentriciteit 0,21 0,0069 0,0179 0,0926 0,0482 0,0570

lengte van het

perihelium... 75 122 96 329 1/3 7 85 5/6 gr.

helling van

de baan.... 6gr.54m. 3gr.22 m. 0 1gr.50 1/2m. 1gr.20m.

2gr.32m.

lengte v/d

klimmenden

knoop.... 223 1/2 72 1/2 -- 49 97 111 gr.

omloopstijd. 87.97 224.70 365.25 686.98 4332.62 10759.20 d.

Met deze getallen als grondslag heeft Kepler tafels voor de

toekomstige beweging der planeten berekend, die hij ter eere van den

vorst, die Tycho en hem had ondersteund, _de Rudolfijnsche tafels_

noemde. Zoo had hij de opdracht, die Tycho hem als erfenis naliet,

vervuld; maar daarmee was zijn eigen doel nog niet bereikt. Voor hem

was dit alles slechts middel tot het grootere doel: _de harmonie der

wereld_ na te sporen. Hij zocht nog naar een algemeen verband

tusschen den afstand, de snelheid en den baanvorm van de planeten;

hij zocht om zoo te zeggen naar de architektuur van het

planetenstelsel, en trachtte deze met andere door de eenvoudige

schoonheid der getallen beheerschte wereldharmonieën, zooals de

regelmatige lichamen en de muzikale tonen, in samenhang te brengen.

Daaraan werkte en rekende hij tegelijk met de tafels. Hij had al

lang bemerkt, dat de snelheid der planeten met hun afstand minder

wordt (zooals wij ook op blz. 181 opmerkten). Bestaat er nu een

verband tusschen omloopstijd en grootte der baan, dat voor alle

planeten op dezelfde manier geldt? Na veel probeeren ontdekte Kepler

in 1615 zulk een verband. In de volgende lijst hebben wij voor

iedere planeet den door hem gevonden gemiddelden afstand tot de zon,

d.w.z. de halve groote as der ellips (de aarde als eenheid genomen)

en den omloopstijd in jaren, dus ook met de aarde als eenheid, naast

elkaar gezet. Van het getal voor den omloopstijd vormen wij het

kwadraat, door het met zichzelf te vermenigvuldigen, en van het

getal voor den afstand vormen wij de derde macht, door het kwadraat

nog eens met het getal zelf te vermenigvuldigen.

planeet afstand omloopstijd kwadraat v.d. derde macht v.d.

omloopstijd afstand

Mercurius. . 0.388 0.241 0.0581 0.0584

Venus. . . . 0.724 0.615 0.3785 0.3795

Aarde. . . . 1. 1. 1. 1.

Mars . . . . 1.5235 1.881 3.538 3.536

Jupiter. . . 5.1965 11.857 140.6 140.3

Saturnus . . 9.510 29.425 865.8 860.1

De getallen der beide laatste kolommen blijken zoo nauwkeurig met

elkaar overeen te stemmen, dat de overblijvende verschillen zonder

bedenken aan de overgebleven kleine foutjes der aangenomen waarden

mogen worden toegeschreven. Dus luidt de _derde wet_ van Kepler:

_De kwadraten der omloopstijden staan bij de verschillende planeten

in dezelfde reden tot elkaar als de derde machten der gemiddelde

afstanden tot de zon_.

Dat wil dus zeggen: als een planeet 4 maal zoo ver als een andere

van de zon verwijderd is, is haar omloopstijd 8 maal zoo groot (8 x

8 == 4 x 4 x 4), dus haar snelheid 2 maal zoo klein; staat zij 9

maal verder van de zon, dan is de omloopstijd 27 maal grooter en de

snelheid 3 maal kleiner.

Door deze wetten was nu voor het eerst de werkelijke beweging der

planeten uit ervaring en waarneming afgeleid; daarmee waren de

primitieve theorieën der oudheid, die van een regelmatige

cirkelbeweging als iets vanzelfsprekends uitgingen, voorgoed van het

tooneel verdwenen. De tijdgenooten hebben echter aan deze wetten van

Kepler even weinig opmerkzaamheid geschonken, als aan zijn overige

theorieën over de harmonie der wereld. Voordat de beteekenis van

deze wetten duidelijk kon worden, moest eerst de mechanika, de leer

van de beweging, in de 17de eeuw tot een grootere hoogte ontwikkeld

worden.

Daarentegen werden de Rudolfijnsche tafels algemeen hoog gewaardeerd

en gebruikt, omdat zij voor het eerst juiste plaatsen gaven. Door

deze tafels was het programma verwezenlijkt, dat Tycho meer dan een

halve eeuw vroeger opgesteld had. Maar voor het doel, dat Tycho er

toen mee beoogde, was het niet meer noodig; de astrologie, de

openlijke of verborgen drijfveer van zoovele eeuwen van astronomisch

onderzoek, ging juist te gronde, toen zij eindelijk haar materiaal

zou krijgen. Met het wereldstelsel van Copernicus, dat juist in

denzelfden tijd door Galilei's ontdekkingen tot zekerheid was

geworden, was het astrologisch geloof niet meer te vereenigen. De

planeten waren wereldlichamen van gelijken rang als de aarde,

misschien ook wel door levende wezens bewoond; hoe kon daar de

opvatting blijven bestaan, dat zij slechts als lichten aan den hemel

geplaatst waren met het doel, het nietige menschenlot op aarde te

verkondigen? Een nieuw doelwit wenkte de natuuronderzoekers; niet

meer het levenslot van de menschen op aarde met het gebeuren aan den

hemel in verbinding te brengen, maar de eigen wetten van den hemel

te onderzoeken, de harmonie der groote wereld zelf te leeren kennen.

Daarvoor had Kepler de grondslagen gelegd, en op zijn werk

voortbouwend heeft de 17de eeuw de taak volbracht, de grondwet van

het hemelsch heelal te vinden.

De Wonderbouw der Wereld · 第 48 / 64 题