Ba định luật về chuyển động của các hành tinh, được nhà thiên văn học người Đức Johannes Kepler đưa ra vào đầu thế kỷ 17, đã thay đổi cơ bản sự hiểu biết của chúng ta về hệ mặt trời và đặt nền tảng cho công trình sau này của Isaac Newton.

Những định luật này giải thích chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt trời và rất cần thiết để hiểu về cơ học thiên thể.

Chúng đại diện cho sự dịch chuyển khỏi mô hình địa tâm thống trị thiên văn học cổ đại và hướng tới mô hình nhật tâm, trong đó các hành tinh quay quanh Mặt trời. Định luật đầu tiên của Kepler, định luật về quỹ đạo hình elip, nêu rằng quỹ đạo của các hành tinh không phải là hình tròn hoàn hảo mà là hình elip.

Hình elip là một hình dạng giống như một hình tròn kéo dài, và đây là một khái niệm mang tính cách mạng vào thời điểm đó, vì nó trái ngược với niềm tin rằng các thiên thể phải di chuyển theo các quỹ đạo tròn hoàn hảo. Theo định luật này, Mặt trời nằm tại một trong hai tiêu điểm của hình elip, và khoảng cách giữa một hành tinh và Mặt trời thay đổi khi hành tinh di chuyển dọc theo quỹ đạo của nó.

KEPLER'S LAWS | Physics Animation

Video by EarthPen

Định luật thứ hai, định luật diện tích bằng nhau, giải thích rằng một hành tinh di chuyển nhanh hơn khi gần Mặt trời hơn và chậm hơn khi xa hơn. Định luật này nêu rằng một đường thẳng được vẽ từ một hành tinh đến Mặt trời sẽ quét ra những diện tích bằng nhau trong những chu kỳ bằng nhau. Điều này có nghĩa là một hành tinh càng gần Mặt trời thì nó di chuyển càng nhanh và khi nó ở xa hơn thì tốc độ của nó sẽ giảm.

Định luật này là kết quả của sự bảo toàn mô men động lượng, một nguyên lý trong vật lý giúp duy trì chuyển động của hành tinh cân bằng khi quay quanh Mặt trời. Định luật thứ hai cũng giúp giải thích tại sao các hành tinh, mặc dù không theo quỹ đạo tròn hoàn hảo, vẫn duy trì quỹ đạo ổn định khi chịu tác động của lực hấp dẫn.

Định luật thứ ba, định luật điều hòa, liên kết chu kỳ quỹ đạo của một hành tinh với kích thước quỹ đạo của nó. Định luật này nêu rằng bình phương chu kỳ quỹ đạo của một hành tinh tỷ lệ thuận với lập phương của bán trục lớn của quỹ đạo của nó. Nói một cách đơn giản hơn, các hành tinh xa Mặt trời hơn có chu kỳ quỹ đạo dài hơn.

Các định luật của Kepler mang tính đột phá vì chúng đưa độ chính xác toán học vào nghiên cứu chuyển động của các hành tinh. Trước Kepler, chuyển động của các hành tinh được mô tả bằng các hệ thống phức tạp của các vòng phụ, một khái niệm do Claudius Ptolemy phát triển để giải thích chuyển động ngược rõ ràng của các hành tinh.

Nhận thức của Kepler rằng quỹ đạo hành tinh là hình elip chứ không phải hình tròn đánh dấu một sự thay đổi đáng kể so với các mô hình cổ xưa này. Công trình của ông dựa trên các quan sát tỉ mỉ của nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe, người có dữ liệu cho phép Kepler xây dựng các định luật của mình.

Trong khi các định luật của Kepler mô tả chuyển động của các hành tinh với độ chính xác đáng kinh ngạc, chúng không giải thích được tại sao các hành tinh lại chuyển động theo cách như vậy. Phải đến khi Newton xây dựng định luật về lực hấp dẫn vũ trụ thì nguyên nhân của chuyển động của các hành tinh mà Kepler mô tả mới được hiểu đầy đủ.

Newton đã chứng minh rằng lực hấp dẫn giữa Mặt trời và một hành tinh chịu trách nhiệm cho hình dạng elip của quỹ đạo và sự thay đổi tốc độ của nó, do đó cung cấp khuôn khổ lý thuyết xác nhận các định luật thực nghiệm của Kepler. Các định luật của Kepler không chỉ có tầm quan trọng về mặt lý thuyết. Chúng đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng khoa học, chuyển đổi quan điểm từ vũ trụ lấy Trái đất làm trung tâm sang vũ trụ mà Mặt trời đóng vai trò trung tâm.

Ba định luật chuyển động của hành tinh là bước ngoặt trong lịch sử thiên văn học và khoa học. Bằng cách tiết lộ rằng quỹ đạo của các hành tinh là hình elip, rằng các hành tinh di chuyển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách của chúng với Mặt trời và rằng chu kỳ quỹ đạo của một hành tinh liên quan đến kích thước quỹ đạo của nó, Kepler đã thay đổi cách nhân loại hiểu về vũ trụ.

Các định luật của ông đã cung cấp một khuôn khổ chính xác và đáng tin cậy để mô tả chuyển động của các thiên thể, và công trình của ông vẫn tiếp tục ảnh hưởng đến việc nghiên cứu thiên văn học và khoa học vũ trụ ngày nay.