《人類科學技術史-194》開普勒的研究

開普勒的研究

1601年，第谷臨終時把大量寶貴的觀測記錄傳給了年輕的助手開普勒(1571-1630年），希望他利用這些資料改進天文圖表，進而證明第谷的理論。但開普勒日后取得的成就，遠遠超出了這個范圍。

1.《宇宙的奧秘》

開普勒出生于符騰堡，父親曾任職于當?shù)匦陆探虝?/p>

他在少年時進入符騰堡隱修院學習，曾把當牧師作為理想的職業(yè)。1587年開始，他就讀于蒂賓根大學，在這里聽了贊成哥白尼日心說的麥斯特林教授的天文學課程，并因此而成了哥白尼學說的信徒。1591年，他獲得碩士學位。

為了謀生，他于1594年中斷了在蒂賓根大學的神學課程，到奧地利南部的格拉茨地方擔任路德派學校的數(shù)學教師。他同時還編寫占星歷書，以貼補生活之需。

開普勒的思想中具有畢達哥拉斯神秘主義的某些痕跡，他認為自然界具有數(shù)學的簡單性，行星是依照幾何定律運動的。1596年，他出版了自己的第一本著作-《宇宙的奧秘》。該書以5種正多面體的幾何結構，來解釋當時已知的包括地球在內(nèi)的6大行星與太陽的距離。作為哥白尼的信徒，他希望自己的構想能夠證明哥白尼的學說。他甚至在做這項工作時不斷地祈求上帝，"如果哥白尼說的是真的，那就讓我成功吧！"他進行了大量的計算，以驗證自己的想法是否與哥白尼的軌道理論吻合。根據(jù)上述構想計算出的結果，與通過實際觀測推算的距離基本相符，雖然并不完全一致，但開普勒認為這是觀測的誤差所致。這本在哥白尼的《天體運行論》問世50多年后出版的著作，是對哥白尼體系所作的第一次重要的公開辯護，但開普勒也修正了哥白尼。他在確定行星軌道時，不是以地球偏心軌道的中心為參考，而是以太陽作為參考，因為據(jù)此得出的數(shù)據(jù)與他的正多面體結構的構想更為吻合。

《宇宙的奧秘》出版后，開普勒把它寄給了第谷，并由此而同他建立了通信聯(lián)系。開普勒在書中表達的關于宇宙和諧的思想，受到第谷的賞識。1600年，開普勒到布拉格同第谷會面，并留下來為第谷整理行星觀測資料。第谷逝世后，開普勒把根據(jù)這些觀測結果編制準確的星表和探索與哥白尼學說一致的行星理論作為自己的任務。前一項任務于1627年取得了結果，開普勒編制出了望遠鏡出現(xiàn)之前最好的星表，它以第谷和開普勒的保護人魯?shù)婪蚨阑实鄣拿置Q"魯?shù)婪蛐潜?。后一項任務的進行，則導致了宇宙天文學的重大突破。

2.發(fā)現(xiàn)行星運動定律

在探索行星運動規(guī)律時，開普勒注意到，太陽不僅位居中心，而且也是力量的中心。他起先認為，太陽有一個"運動精神"，它推動行星沿著各自的軌道運動，行星離太陽越近，受太陽運動精神的影響也就越大。后來，他對上述表達作了一個重大的修改，即用"力量"一詞代替了"運動精神"的提法，從而使自己的天體物理體系的意義更加完整，并因此而使得對宇宙的解釋從有機轉向機械。開普勒指出，很有可能，"天體機器并非神圣的有機體，而只是一個時鐘結構……因為各種各樣的運動是通過物體的一個單一而十分簡單的磁力產(chǎn)生的，正如鐘內(nèi)的所有運動都只是一個十分簡單的鐘錘所產(chǎn)生。"他的這一思想大概受到了英國科學家威廉.吉爾伯特(1544-1603年）的影響。吉爾伯特在1600年出版了關于磁性研究的著作，其中有關于地球是一個巨大球形磁場的思想。

開普勒的最大成就，是發(fā)現(xiàn)了行星運動的三大定律。

開普勒對火星的運動進行了長時期的艱苦研究。他在用哥白尼的勻速圓周運動理論計算火星軌道時，得出的結果同第谷的觀測數(shù)據(jù)至少相差8弧分。這個誤差在當時條件下不算很大，但開普勒相信第谷的觀測誤差不會大于4弧分。于是，他放棄了行星作勻速圓周運動的理論，而在反復計算之后得出了新的結論：行星繞太陽運動的速度是變化的，其軌道是橢圓形的曲線。

1607年10月，開普勒在給友人的信中表示，在他即將出版的書中將提出一種新的哲學或天體物理學，以取代亞里士多德的天體神學或形而上學。

1609年，他的《新天文學》一書出版，他認為，此書探索的是"運動的自然原因"。而在他之前，還沒有人用天體力學去解釋行星的運動。這是一項具有革命性意義的研究。以前，天文學只是為了產(chǎn)生一種能使行星位置與觀測一致的天體幾何學；而開普勒的目標是尋找天體運動的真實物理原因，而不僅僅是去發(fā)明或修正幾何結構。

在《新天文學》中，開普勒提出了火星運動的兩條定律：①火星的軌道是一個以太陽為一焦點的橢圓；③太陽到火星的矢徑在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。隨后，他把這兩條定律推廣到其他的行星、月球以及木星的一顆衛(wèi)星。

1619年，開普勒又在《宇宙和諧論》中提出了他關于行星運動的第三條定律：各個行星運行周期的平方與其離開太陽的平均距離的立方成正比。在這里，運行周期指的是行星沿軌道運行一周所需的時間，離太陽的平均距離指的是行星繞日運行橢圓形軌道離太陽的最大距離與最小距離之和的一半。

用開普勒三定律計算出的行星軌道與第谷的觀測是吻合的，與近代觀測的結果也是一致的。全部九大行星——包括當時尚未發(fā)現(xiàn)的——都是按照這三個定律而圍繞太陽旋轉的。

刻卜勤極大地發(fā)展了哥白尼的學說。事實上，到最后他除了保留哥白尼的兩個最基本觀點——太陽靜止地位于中心以及地球自轉和公轉——之外，幾乎放棄了哥白尼學說中所有別的東西。他不僅建立了一個新的宇宙天文學體系，而且為整個天文學提供了一個新的動力學基礎。行星運動定律的發(fā)現(xiàn)，成為后來牛頓萬有引力概念產(chǎn)生的基石。

開普勒的個人遭遇是令人同情的，伴隨他走完人生旅程的，基本上是貧困、孤獨和疾病。但他在逆境中奮斗不息，為天文學和物理學的革命作出了卓越的貢獻。