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“天空立法者”

时间:2019-08-28    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

天空立法者

人们常把“安贫乐道”视为一种美德,并认为历史上有许多科学家都是

“安贫乐道”的。不过这“贫”恐怕也是有个界限,像开普勒这样一位几乎

终身与贫病为伍而又在天文学上作出了伟大贡献的科学家,在科学史上大概

是绝无仅有的。他的一生是单枪匹马艰苦奋斗的一生。第谷的背后有国王,

伽利略的背后有公爵,牛顿的背后有政府,可开普勒的背后只有疾病和贫困。

他靠自己的奋斗树立了一座高耸入云的丰碑,并在那上面宣布“为天空立

法”,从而完善、巩固了哥白尼的理论和为天体力学奠定了基础。

开普勒 1571 年出生于魏尔一个贫苦人家。他在母亲腹中只呆了 7 个月便

出世了,可谓先天不足;5 岁时一场天花几乎使他夭亡,接着猩红热又严重

损害了他的双眼。很多人都有幸福的童年,可开普勒的童年是贫病交加,在

死亡线上挣扎。

幸好他的智力是健全的。开普勒读书用功,成绩很好。12 岁那年他进修

道院求学,在符腾堡学习德语和拉丁语。1588 年入蒂宾根大学,在那里首次

接触哥白尼学说并很快成为这一学说的忠实拥护者。1591 年开普勒获文学硕

士学位,以后又学了 3 年神学。1594 年他去奥地利格拉茨的新教神学院担任

数学教师,从此开始了他的天文学研究。

 

同哥白尼一样,开普勒也深受古希腊毕达哥拉斯学派的影响,认为上帝

是按照一个简单的图案来创造世界的,只要用智慧和耐心去寻求,简单的宇

宙结构图案就能找到。1596 年,开普勒出版了《宇宙的神秘》一书,书中第

一次公布了他对行星轨道和宇宙结构的设想。他以哥白尼的日心体系为基本

框架,经过 4 年的辛勤探索和反复计算,巧妙地用 5 种正多面体的外接圆和

内切圆表示 6 颗行星轨道大小的相互关系。自然界的正多面体只能有 5 种(正

四面体、止六面体、正八面体、正十二面体、正二十四面体),它们叠在一

起能构成的外接圆和内切圆是 6 个,而太阳系里的行星也正好只有 6 颗, 珠

联璧合”,“天衣无缝”,这不正是造物主伟大智慧的表现吗?但是开普勒

错了,这完全是一种偶然的巧合,现在我们谁都知道太阳系里至少有九大行

星。当然,你不要忘了,开普勒当时还是一个 25 岁的青年!

在这本书里,开普勒还第一次探讨了行星运动的物理原因。他认为物体

除非不断受力,否则就会静止不动。开普勒提出是太阳不断地产生着一种驱

动力在驱赶行星沿着各自的轨道环绕太阳运动,离太阳远的行星,受太阳的

驱动力小,在轨道上运动就慢,绕太阳旋转一周所需的时间(周期)也长;

离太阳近的行星,情况正好相反。尽管开普勒的这种解释并不正确,但这是

人类对行星运动物理原因的第一次探索,是万有引力定律问世以前最有开拓

性的思想。

第谷正是由于看到这本《宇宙的神秘》,使他对这位醉心于天文研究的

青年学者刮目相看,并把开普勒邀请到布拉格当自己的助手。两个人走到一

起,一个是满头银发,目光敏锐,一个是身体虚弱,高度近视;一个爱看,

最精确地观测了许多天象,一个爱想,整天思索宇宙空间天体运动的规律;

一个做准备,打基础,一个完成工作,在牢固的基础上盖起科学大厦。

这一段时间也许是开普勒一生中最欢愉的时间。第二年第谷去世,开普


勒就成了第谷未竟事业的继承人。

开普勒的第一项工作是设法利用第谷的遗赠给他的大量火星观测资料来

研究火星运动的规律。因为火星运动时地球也在运动,所以研究火星运动首

先就得弄清地球本身的运动。同前人一样,开普勒先假定地球和火星都绕着

太阳作偏心圆运动,然后利用第谷的火星观测资料来推算地球运动的圆轨道

以及地球在这个圆轨道上的运动速度。他发现,地球在偏心圆轨道上运动的

速度是变化的,大体说来,在靠近太阳的近日点附近时运动得快,在离太阳

较远的远日点附近时运动得慢。他得出一个规律:在相同时间里,地球到太

阳的连线扫过相等的面积。这个定律推广到所有行星,便是开普勒发现的行

星运动第二定律。

地球运动轨道求出后,开普勒又用第谷的 10 个火星观测数据来推求火星

的运动的偏心圆轨道,但当他用更多的观测数据来检验这一轨道时,却总是

发现有相当于月球视直径(约 0.5 度)1/4(约 8 分)的偏差。是第谷的观测

有误差吗?不可能,开普勒完全相信第谷的观测。看来问题是出在一开始所

假定的火星运动轨道的形状上,它不应该是正圆形,当然也不是偏心圆。经

过反复的假设、计算,最后他发现要使理论推算与第谷大量准确的观测数据

相吻合,就必须假定火星的运行轨道是一个椭圆,而太阳位于其中的一个焦

点上。接着他又推而广之,认定所有行星的轨道都是像火星轨道一样的椭圆

形,这就是行星运动的第一定律。从这里我们也可以领悟到,精确的测量对

于科学的发现是多么重要,正如开普勒本人所说:“正是这 8 分的差值引起

了天文学的全部革新。”

行星运动的第一、第二定律第一次正式发表在开普勒 1609 年出版的《新

天文学》一书中。

开普勒信奉毕达哥拉斯关于宇宙和谐的观念,相信各颗行星离太阳的距

离与它们绕太阳公转的周期之间存在着某种简单的关系。他早先研究过这种

关系,但没有得到精确的结果,第一、第二定律的发现激励着他继续深入研

究。他没有现成的理论作指导,有的只有许许多多的数据。他把这些数据贴

在自己的身边,以便随时可以看到,随时可以进行思考和计算。在没有计算

机的时代,开普勒以罕见的毅力,进行了多年繁琐、复杂、困难而又枯燥的

计算,终于发现了行星运动第三定律:任何两颗行星公转周期的平方同轨道

长半径的立方成正比。1619 年,开普勒出版的《宇宙谐和论》一书正式公布

了这一重大发现。

托勒密用 80 多个本轮、均轮来描述他的地心体系。哥白尼用日心说取代

地心说,只是仍需要用 30 多个圆圈来说明问题。只有开普勒才找到了最简单

也是最符合实际的行星体系,仅用 7 个椭圆便能非常精确地描述和推算行星

的运动。这样,开普勒用自己发现的行星运动三定律进一步从科学上证实了

太阳系确实是一个统一的整体,太阳是这个整体的中心,根本不再需要借助

于什么本轮和偏心圆。哥白尼的日心体系从此建立在经过严格数学论证的基

础上,在科学史上确立了自己巩固的地位。

这位德国天文学家对天文学有多方面的贡献,其中编制《鲁道夫星表》

一事尤其值得称道。1601 年,第谷弥留之际,曾给开普勒留下遗愿:他一生

观测星空,本想编制一种准确的星表留给后人,目标是 1000 颗星,现在病入

膏盲,壮志难酬,希望开普勒以他的宇宙体系为理论依据,应用他毕生积累

的观测资料,完成星表的编算工作。第谷还特别交代,为报答鲁道夫二世对


天文工作和他本人的关心和支持,这份星表拟取名为《鲁道夫星表》。

一旦答应了的事,开普勒就决定克服一切困难去做到。只是由于种种原

因,直到 1627 年,他才完成了编制星表的工作。而且,为了对世人和科学负

责,也是为了对自己的恩师负责,《鲁道夫星表》不是以已证明为不正确的

第谷混合型宇宙体系为基础,而是以行星运动三定律为核心的开普勒的日心

理论为基础编制出来的。正是因为这个缘故,由这个星表推算的行星位置同

哥白尼推算的行星位置相比,精度要高出两个数量级。学生终于没有辜负老

师的遗愿和期望,在以后的一个多世纪里,《鲁道夫星表》一直被看作是天

文学的标准星表。

但是,命运对这位伟大的“天空立法者”是极不公正的。开普勒一生坎

坷,几乎总是在深受病痛的折磨下从事艰苦的科学研究,而且即使在对人类

的科学事业作出了非凡的贡献以后仍然得不到应有的支持。贫穷的阴影更是

一直在威胁着他,特别在保护他的皇帝被迫退位以后,皇室长期拖欠他作为

一个皇室天文官的薪俸不发,致使他不得不为养家糊口而给有钱有势的人占

星卜命。他与同时代的意大利科学家伽俐略曾经是相互支持的莫逆之交,但

宗教上的纠纷和麻烦曾使伽俐略不敢与他往来,并拒绝了他想要一架望远镜

的要求,最后甚至断绝了书信联系。

1630 年 10 月,濒临绝境的开普勒不得不长途跋涉去索取皇室应该给他

的那份已经拖欠了很久的薪俸。心力交瘁和贫病交迫的开普勒终于卧床不

起,于这一年的 11 月 15 日凄凉地离开了人世。

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