行星的研究历程

人类很早就开始了对宇宙星空的探索，古埃及和古巴比伦文明视星星为神灵，中国人和玛雅人还根据星星的运动制订了历法。人类目前已发现了八大行星，并认识了它们的运动规律。在研究行星运动的历程中，有三个代表性的人物第谷、开普勒和牛顿。

第谷·布拉赫(TychoBrahe，1546—1601年)，丹麦天文学家。第谷出生于丹麦一个具有瑞典血统的贵族之家，13岁即进入哥本哈根大学学习法律和哲学。1560年，一次偶然观测日食后，第谷转向了天文学与数学研究。1563年，第谷发现了木星最接近土星的时间，比西班牙君主阿尔丰沙十世制定的行星表预计的时间相差有一个月。在这以前，人们使用阿尔丰沙十世的行星表已长达300年之久。后来，第谷开始修订行星表。他所制作的新行星表定位精度达到了30弧秒(角妙又称弧妙，是秒用在角度单位场合的限定称呼。1度等于60角分，1角分等于60角秒)。1572年11月1日，第谷观测到一次星球爆发，后称它为第谷星，第谷第一次引入“新星”这个概念，他通过视差测量出这颗新星比当时人们认为的宇宙边界要远得多，这一发现对亚里士多德的“天空是完美无缺的和永恒不变的”观点是一种有力的冲击。1577年，第谷对天空出现的一颗巨大彗星进行了仔细的观察，研究结果表明，这颗彗星不仅来自当时人们认为的“天界”之外，其运行也有特定的轨道，这又一次冲击了亚里士多德的天空观念，也与伽利略提出的“彗星不能与其他天体的永恒性和规律性相比，它仅仅是一种大气现象”的说法有很大的差别;这个发现促使第谷决定朝着天文学方面发展。第谷一生积累了有关行星位置及运行的大量数据，而且这些数据都达到了前所未有的精确程度。在丹麦国王腓特烈二世的支持下，第谷在丹麦与瑞典之间的维文岛上，修建了第一座天文台——汶岛天文台。他还建造了一个直径5英尺的天球仪。1597年，第谷应德国国王鲁道夫二世之邀，离开丹麦前往布拉格新区定居，此行使他发现了开普勒这位德国青年助手。

约翰尼斯·开普勒(Johanns Ke－pler，1571—1630年)，是杰出的德国天文学家。他发现了行星运动的三大定律，分别是轨道定律、面积定律和周期定律。这三大定律最终使他赢得了“天空立法者”的美名，为哥白尼的日心说提供了最可靠的证据。同时他对光学、数学也作出了重要的贡献，是现代实验光学的奠基人。开普勒出生于德国威尔的一个贫民家庭中，是一个早产儿，体质很差，四岁时患上了天花和猩红热，致使他视力很弱、一只手半残。然而，开普勒身上有一种顽强的进取精神，即使身体残疾，他也仍一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅。1587年，开普勒进入德国蒂宾根大学学习。1591年获得该校天文学硕士学位。1597年，他开始担任第谷的助手，替第谷制作行星运行表。1601年第谷去世后，开普勒继承了一大批非常宝贵的资料，他以这些观测结果为基础，计算出一个能描述星体运行的体系。一开始，开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响，尝试以数学的和谐性去探索宇宙，且把大量精力用到了行星运行的正多面体理论之中，几年后才发现，这一理论不适用于第谷观测到结果。后来，他从希腊数学家阿波罗尼乌斯的圆锥曲线那里受到启发，终于发现第谷观测到的火星位置与椭圆轨道符合的精度很高，而太阳恰好位于椭圆轨道的一个焦点上。此后，开普勒陆续找到了其他行星运行的椭圆轨道，并发现太阳总在这些轨道的焦点之上。1609年，开普勒在《新天文学》一书中公布了他对行星按椭圆轨道运行的研究成果，这就是现在的开普勒第一和第二定律，而开普勒第三定律则发表于另一部著作中。接着，开普勒改进第谷的观测资料和他自己的椭圆轨道理论，终于制作了新的行星运行表，这部运行表发表于1627年。在书的扉页上，开普勒写了献词，以纪念他的导师第谷。在行星表的计算中开普勒首次采用了苏格兰数学家耐普尔(johnnapier，1550—1617年)发表的对数，耐普尔的对数表发表于1614年，由于对数的出现，大大简化了繁琐的数字计算，就像计算机给予现代科学技术以巨大的冲击一样，对数的发明也给当时的科技发展极大的推动。

开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题。这个问题的答案曾使哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解。当时开普勒没能说明行星按其规律在轨道上运行的原因，到17世纪后期才由艾萨克·牛顿阐明清楚。牛顿曾说过:“如果说我比别人看得远些的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是他所指的巨人之一。

艾萨克·牛顿(Isaac Newton，1643—1727年)爵士，英国物理学家、数学家、科学家和哲学家。牛顿于1643年1月4日出生于英格兰林肯郡的小镇乌尔普斯的一个自耕农家庭。1661年，牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，1664年成为奖学金获得者，1665年获学士学位。从古代到中世纪，人们受亚里士多德的哲学的影响，认为天地受不同体系的自然规律支配，地上的一切都是可变的、污浊的，而天上的一切都是永恒的、光辉的，天上与地下万物各自遵循完全不同的运动法则，而牛顿却大胆地提出，天地二者的规律是完全一致的。在他的《自然哲学与数学原理》一书中，牛顿首次提出在没有其他外力的作用下，天体受到“第一次推动”之后，将始终维持惯性运动。牛顿还根据他著名的牛顿运动三大定律，推导出了地球与月球之间的引力规律，由此提出了著名的万有引力定律，并认为这一规律适用于宇宙万物中任何两个物体之间。万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。一个世纪之后，卡文迪许利用扭秤实验确定了引力常量的数值G=(6.675±0.045)×10－11N·m2/kg2得出了地球质量的数值。此后，有人根据引力常量算出了木星与土星的质量，这些估算值都相当准确。牛顿万有引力定律的成就是空前的，他不仅对开普勒三大定律作出了解释，还解释了当时人们所知道的一切天体运动。他解释了二分点岁差(岁差即年差，是回归年与恒星年的时间差。在运用万有引力定律解释岁差现象时。牛顿指出，每一行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，使星体成为两极扁平的扁球体，赤道隆起部分接近太阳和月亮，一部分远离太阳和月亮，一部分接近太阳和月亮，使太阳和月亮的引力作用不通过地球中心，从而使地轴作一种缓慢的圆锥运动，造成了二分点的岁差现象)的成因，甚至还说明了开普勒也没说清楚的月球运动的复杂变化。牛顿甚至还预言了引力对人造卫星运动的控制方式。牛顿的成就使天文学脱离了单纯的观测与测算，从描述天体运动的经验规律上升为认识天体相互作用的普遍规律，它使一个半世纪前由哥白尼开创的科学革命迈向又一个更高的巅峰，这是人类几千年来，对行星运动认识从现象到本质的巨大飞跃。

第谷、开普勒、牛顿在人类认识行星运动过程中作出了卓越的贡献。他们通过不懈的努力，最终总结了行星运动三定律和万有引力定律，完成了人类对行星运动规律的认识。