如果开普勒当时能知道对数运算的话,问题就要简单得多。若取表中各个行星的周期 (T)和距离(R)的对数(见下表右边两栏列出的数字)进行比较:
行星名称 周期 (T) 距离 (R) lgTlgR
水星 0.241 0.387 0.620.41
金星 0.615 0.723 0.210.14
地星 1.000 1.000 0 0
火星 1.881 1.524 0.270.18
木星 11.862 5.203 1.070.72
土星 29.457 9.539 1.470.98
那就用不着开普勒那样高超的智慧,任何人都会立即看出:
lgT∶lgR=3∶2
这是一个十分重要的自然定律。不仅行星遵循着它,连同行星的卫星以及太阳周围的其他天体概无例外。从而可以确定,太阳和它周围的所有天体不是偶然的、没有秩序的“乌合之众”,而是一个有严密组织的天体系统——太阳系。
给天空立法
为纪念开普勒在天文学上的卓著功绩,上述行星运动三大定律,被称“开普勒定律”。它一经确立,本轮系彻底垮台,行星的复杂运动,立刻就失去全部神秘性。它成了天空世界的“法律”。后世学者尊称开普勒为“天空立法者”。
不知是什么原因,开普勒的这些重大发现却没有引起与他同时代的伽利略的足够重视。两人毕生都为哥白尼学说而奋斗,他们又是朋友,时有书信往来,然而对于开普勒的这一决定性的进展,伽利略一生和著作中竟没有留下任何痕迹。这也是科学史上的一桩怪事!
开普勒定律在天文学上有十分重大的意义:
首先,开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。远在哥白尼创立日心宇宙体系之前,许多学者对于天动地静的观念就提出过不同见解。但对天体遵循完美的均匀圆周运动这一观念,从未有人敢怀疑。开普勒却毅然否定了它。这是个非常大胆的创见。哥白尼知道几个圆合并起来就可以产生椭圆,但他从来没有用椭圆来描述过天体的轨道。正如开普勒所说,
“哥白尼没有觉察到他伸手可得的财富”。
其次,开普勒定律彻底摧毁了托勒玫的本轮系,把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来,为它带来充分的完整和严谨。哥白尼抛弃古希腊人的一个先入之见,即天与地的本质差别,获得一个简单得多的体系。但它仍须用三十几个圆周来解释天体的表观运动。开普勒却找到最简单的世界体系,只用七个椭圆说就全部解决了。从此,不须再借助任何本轮和偏心圆就能简单而精确地推算行星的运动。
第三,开普勒定律使人们对行星运动的认识得到明晰概念。它证明行星世界是一个匀称的(即开普勒所说的“和谐”)系统。这个系统的中心天体是太阳,受来自太阳的某种统一力量所支配。太阳位于每个行星轨道的焦点之一。行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离,与质量无关。而在哥白尼体系中,太阳虽然居于宇宙“中心”,却并不扮演这个角色,因为没有一个行星的轨道中心是同太阳相重合的。
由于利用前人进行的科学实验和记录下来的数据而作出科学发现,在科学史上是不少的。但像行星运动定律的发现那样,从第谷的20余年辛勤观测到开普勒长期的精心推算,道路如此艰难,成果如此辉煌的科学合作,则是罕见的。这一切都是在没有望远镜的条件下得到的!
除了发现行星运动定律外,开普勒在天文学上还作出有益的贡献。他没有辜负第谷的嘱托,于1627年刊布他终身的最后杰作——《路德福星表》。这是天文史上值得称赞的一部星表,它的完备和准确度远胜过前人。在以后的百余年间,该表一直被天文学家和航海家们奉为至宝。它的形式几乎没有改变地保留到现在。我们现在可从《天文年历》或同类书刊中查知天体过去或未来的运动和准确位置。开普勒正是这方面工作的先驱。
开普勒自幼就损坏视力,没能成为一位天文观测家。他是“借别人的眼睛”作出自己的科学发现。可是他在光学理论和光学仪器研究方面却作过重大贡献。伽利略虽在望远镜的操作上有所改进,但他的望远镜原则上同荷兰眼镜匠制造的没有什么两样,由一块凸镜片(物镜)和一块凹镜片(目镜)合成。开普勒 (比伽利略稍晚些)则设计出一种新型望远镜。他把伽利略式望远镜的凹镜片目镜改用一个小凸透镜,把长焦距的透镜和短焦距的透镜配合在一起,这好比给放大镜“戴上一付眼镜”,其倍率按物镜和目镜的焦距之比来决定。所成的像则是倒立的,这对天文学家来说,没有什么不方便。开普勒式望远镜的特点是把目标放在两透镜的公共焦点上,能够测定微小角度。它后来被广泛应用于天文望远镜。
如同伽利略奠定实验力学的基础一样,开普勒则奠定了近代实验光学的基础。他看到光从已知光源以球面辐射出来,直觉地提出了光度随距离减弱的平方反比定律。
这样一位为科学发展开拓道路的勇士,一生却是在极端艰难的条件下度过的。连年的战争,长期漂泊,生活贫困以及来自教会的迫害,不断困扰着他。在他花甲之年,为向宫庭廷取20余年的欠薪,他长途跋涉去拉提明,于公元1630年11月15日染伤寒死在途中,只留下几件衣服和一些书籍