Super Planetary-Motion Smackdown: Kepler v. Newton


La scienza è sempre un progetto incompiuto. Questo è ciò che lo rende così divertente. Il processo, che raccoglie dati, costruisce modelli per spiegare come funziona il mondo e poi li detronizza con nuovi modelli, è pieno di sversamenti ed emozioni. Ma forse le storie più belle provengono dall'astronomia. Quindi diamo un'occhiata a parte di quel racconto, il capitolo in cui Isaac Newton ha superato Johannes Kepler.

Naturalmente, per prima cosa hai bisogno del retroscena. Gli antichi Greci studiavano la terra e il cielo, ma il loro modello base aveva tutti gli oggetti (sole, luna e pianeti) che si muovevano in cerchio attorno a noi. Più tardi, Nicolaus Copernicus disse: "Ehi, se metti il ​​sole al centro, allora puoi spiegare questo strano movimento di Marte." Successivamente, nei primi anni del 1600, Keplero inventò il suo modello per il movimento planetario. Ci sono stati molti combattimenti e pianti nel mezzo di questo, ma lo lascerò alla tua immaginazione.

Il modello di Keplero ha tre idee principali. (Questi sono di solito presentati come "le tre leggi del moto planetario di Keplero", ma riunendole insieme, è davvero solo un modello.)

  • I pianeti orbitano attorno al sole in percorsi ellittici (non circolari).
  • Mentre un pianeta si avvicina al sole, si muove più velocemente.
  • Il periodo orbitale (T ) è correlato alla distanza orbitale (un) dall'espressione T 2 = un 3 (dove T è misurato in anni e un è misurato in unità della distanza Terra-sole).

Un paio di commenti: in primo luogo, questo modello si basa solo sulle prove osservative disponibili al momento, ma si adatta abbastanza bene ai dati. Non è stato un compito facile. Immagina solo di provare a tracciare le orbite dei pianeti. Lo faresti osservando la loro posizione nel cielo nel corso degli anni. Ma poi hai dovuto tenere conto del fatto che il punto da cui stavi misurando ruotava anche nello spazio.

C'è un'altra cosa importante da notare. La relazione tra periodo e distanza orbitale fornisce un'equazione "1 = 1" per la Terra. Ci vuole un anno in orbita attorno alla Terra e ha una distanza orbitale di 1 UA (unità astronomica — distanza dalla Terra al sole). Fu solo molto tempo dopo che qualcuno fu in grado di determinare effettivamente la distanza dalla Terra al sole. Questo è pazzesco se ci pensi.

Solo così siamo tutti sulla stessa pagina, ecco un modello numerico che usa le leggi di Keplero per un pianeta casuale in orbita attorno al sole. Di seguito è solo una gif, ma ecco il codice se vuoi vederlo.

Questo è il miglior modello di movimento planetario che abbiamo avuto prima di Newton. E, davvero, è un modello eccellente. Potresti persino usarlo per trovare un nuovo oggetto in orbita attorno al sole o per modellare il movimento di una cometa. Ma potrebbe essere più generale? Esiste un modello più fondamentale che potrebbe spiegare sia il movimento di un pianeta in orbita attorno al sole sia il movimento della luna in orbita attorno alla Terra? Forse anche uno che potrebbe anche spiegare il movimento di una mela che cade da un albero?