天空立法者——[德国]开普勒(1571～1630)

　　1601年的一天傍晚，丹麦天文学家第谷(1546～1601)怀着深深的遗憾，在捷克首都布拉格向一位年轻人做了临终嘱托，要年轻人完成他未竟的事业。这位受命的年轻人，就是日后大名鼎鼎的开普勒。战胜病魔醉心天文

　　约翰尼斯•开普勒(Johannes Kepler)是德国天文学家、数学家。1571年12月27日他生于德国威尔的一个富有家庭。由于是早产儿，开普勒先天不足，自幼体弱，抵抗力差。他先得天花，几乎送命，后得猩红热，眼睛受到严重损害，成了高度近视、一只手致残。于是，家人让他接受宗教教育，认为他今后只适合从事像牧师那样不紧张的职业。尽管如此，开普勒智力发育很好，从小就聪明过人。在里昂堡读小学、中学时，学习成绩一直名列前茅，深受老师喜爱。然而，由于家庭经济原因，他一度辍学，在他父亲办的小客栈里当杂佣。最后他总算在杜宾根读完了大学，并于1591年获硕士学位。由于开普勒对数学非常感兴趣，且成绩出众，因而被格拉茨的路德派高级中学聘请为数学教师。大学期间，开普勒受到热心宣传哥白尼学说的天文学教授迈克尔的影响，成为日心说的拥护者。到1594年，他把当牧师的想法抛得一干二净，被聘请到奥地利格拉茨新教神学院教自然科学。

　　在格拉茨新教神学院，开普勒不断充实自己的天文知识，虽然他的身体始终不太好，并且视力较差，但他经常读书到深夜，短短几年工夫，他几乎阅读了当时所有的天文学著作，为以后的工作打下了坚实的基础。开普勒相信但不迷信哥白尼的日心说，他通过长时间的观察、记录、思考和计算，发现哥白尼把所有行星的运动看成是以太阳为圆心的匀速圆周运动，这与实际观察到的数据有着不小的出入。他认为对行星的轨道做这样的理解，似乎过分简略，于是，24岁的开普勒开始对行星轨道进行新的探索。开普勒设想行星的运行可能跟它们与太阳的距离有某种关系，并进而想到用古希腊人已经发现的5种正多面体来跟当时已知的六颗行星的轨道套叠，从而解释为什么太阳系中包括地球在内恰有六颗行星，以及行星为何有这些大小的轨道。这个安排虽然表现出了他的想象力和数学才能，但却完全是偶然的和带有数学神秘性质的。开普勒废寝忘食地完成了这些非常复杂的计算，于1596年写成了《神秘的宇宙》一书，寄给了他深怀敬意的第谷。第谷对书中的一些观点并不满意，但他从书稿中看出这个年轻人敢于探索，肯动脑筋，善于进行复杂的数学计算，今后会大有作为，于是他回信请开普勒来布拉格一起研究天文学。开普勒欣然接受第谷的邀请，举家迁往布拉格城，他们一路饱经饥寒劳累，长途跋涉。开普勒本已瘦弱不堪的身体，经不起这样的折腾，途中病倒在客栈里。在走投无路的情况下，只好向第谷写信求援。慷慨的第谷很快捎来了钱，使他摆脱了狼狈的困境，来到布拉格。二人一见如故，很快便成莫逆之交(当年第谷55岁，开普勒30岁)，他俩一起投入对行星运行规律的研究。经第谷的安排，开普勒拜见了鲁道夫国王，被授予捷克“皇家数学家”的头衔。

　　遗憾的是，他们一起合作仅几个月，第谷就病逝了。开普勒于是接替了第谷的工作。虽然当时内忧外患十分严重，然而国王鲁道夫只要求开普勒能根据：天文现象的变化来预卜自己的吉凶祸福，根本不管什么科学研究。开普勒只能在应付国王之余，在极端困难的条件下开展科研工作。

　　行星定律天际法律

　　测定某一行星绕太阳运行的轨道，是一桩十分艰难的事，因为人不是站在太阳系而是站在以一种当时还是未知的方式绕着太阳运动的地球上。对行星，人们只能看到它某时某刻在什么方向上，而无法看到它在该时刻相对于太阳所处的实际位置。开普勒经过反复思考，认为要从这种杂乱无章的情况中整理出头绪，首先要确定地球的运动。但是，要想确定地球本身的运动，如果只有太阳、地球和恒星则是不够的，因为在这种情况下，人们只知道地球对太阳的角速度的变化规律，而依然不知道地球离太阳远近的变化和地球轨道的真实形状及其运行方式。

　　开普勒以他丰富的想象力和杰出的数学才能，摸索出了一条奇迹般的出路。他首先要在空中找一个参考点，那时火星的绕日周期已知，他就选择火星为参考点，这样，对太阳和火星的观测就成为测莨定地球轨道的手段。开普勒巧妙地利用三角定点法把地球的轨道形匿状测了出来。接着，他又对火星的轨道进行精确测量和探索。因为影在第谷遗留下来的数据资料中，以火星的资料最丰富，所以才选择火戬星为主攻目标。开普勒按太阳居中的匀速圆周运动的正圆形轨道，来编制火星的运行表，却发现火星老是出轨。于是他把它修正为偏心圆形轨道，在试探了70多次之后，他高兴地找到了一个方案，以为鲑成功了，可是按照这个方法来预测火星的位置，仍跟第谷的数据不甏符，至少相差8弧分，这相当于秒针0．02秒瞬间转过的角度。会不艮会是第谷弄错了呢?开普勒深信第谷一丝不苟的工作态度，这8弧分的误差是无论如何不容忽视的，正是这8弧分的误差，使开普勒走上了革新天文学的道路。

　　经过反复思考、计算，开普勒终于得出新的结论：“行星绕太阳运动不是匀速圆周运动，行星在轨道上的运动速度是变化的”，以及他的第一个伟大发现：“太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积。”这就是一般物理教科书中的开普勒第二定律。

　　后来，开普勒又根据第谷的观测数据联想到行星轨道可能是鸡蛋形的曲线，一头大一头小。经过反复计算，最后得出行星运动轨道为椭圆形曲线。椭圆是圆锥曲线的一种，古希腊阿波罗尼就曾研究过，开普勒利用阿波罗尼已经发现的那种椭圆性质，很快就确认行

[1] [2] 下一页