开普勒发现行星运动三定律

开普勒发现行星运动三定律

7世纪初期，正当伽利略使哥白尼

学说声威大震之时，欧洲大地上传出了一条特大新闻：德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动的三大定律，使哥白尼创立的“日心说”从科学上向前推进了一步。

开普勒是文艺复兴时期的德国天文学家，他是哥白尼以后的第二位天空使者。1571年12月27日生于德国符腾堡的小城魏尔，他的诞生使哥白尼创立的“日心说”又增加了一位发展者，正是他后来的发现架起了哲学和科学的桥梁，点燃了“万有引力”发现的导火线。开普勒幼年时，贫寒的家庭无力供养他上学，一直靠奖学金求学。开普勒进入图宾根神学院后，特别是当他的老师米夏埃尔·马斯特林教授常常在演讲中提到哥白尼，使他崇拜、神往，开始学习哥白尼有关于天体运行的理论和著作。

开普勒第一定律（椭圆定律）：每一行星沿一个椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

1754年，开普勒被推荐到奥地利格拉茨教会学校任数学教师。这时政治局势已显露出变化的端倪。一场反宗教改革的运动早已在巴伐利亚掀起，士的里亚这个格拉茨教会学校的所在地显得格外平静。事实上，教会派别之间的内部思想斗争却是越来越激烈。耶稣教团成员和新教牧师相互责难，议论纷纷，使这位天性和平的人感到厌倦。于是他便专心研究写作《宇宙的奥秘》。他不倦地研究了天文学的三个问题——“行星轨道的数目，大小及运动”。1595年7月19日，他终于得到了伟大的发现：“可用地球来度量所有其他轨道。一个十二面体外切地球，这十二面体就内接于火星的天球。一个四面体外切火星轨道，这个四面体就内接于木星天球。一个立方体外切木星轨道，这个立方体就内接于土星天球。现在把一个二十四面体放入地球轨道，外切这个二十四面体的天球就是金星。把一个八面体放入金星轨道，外切这个八面体的天球就是水星。”他马上着手阐明这一想法，写成《宇宙的奥秘》初稿。为了出版这本小册子，他费尽心机。当时的开普勒在学术界默默无闻，还是小字辈，出版商都不相信他。所以只好返回符腾堡求助老师马斯特林教授。1596年，这本书终于出版了，并载入了法兰克福书目之中。但书上印着的不是“开普勒”，而是“勒普劳斯”，这使开普勒的苦恼接踵而生。

家庭生活的不幸，小女儿的夭折，在科学领域中也见不到多少曙光，经常受到占星术思辨苦恼的折磨，开普勒百思不解，陷入悲愤痛苦之中。黑暗中，突然一线希望之光照射在他的头上：他被丹麦大天文学家第谷·布拉赫请到布拉格鲁道尔夫二世的宫里。早在1597年第谷就曾邀请过这位年轻的素不相识的地方数学家到万斯贝克去，那时开普勒正在那儿逗留。在这之前，开普勒曾把自己的早期著作《宇宙的奥秘》寄给他。现在第谷又以亲切的言辞重复了他的邀请，并要给开普勒以友谊和帮助。“我并不是因为您遭受厄运而请您来此，而是出于共同研究的愿望和要求请您来此。”他在信中写道。确实，开普勒早就等待这第二次邀请了。这两位科学家不谋而合的思想，终于使开普勒与第谷相会，前者成为后者的助手。

开普勒和第谷的会面乃是欧洲科学史上最重大的事件。这两位个性殊异的人物的相会，标志着近代自然科学两大基础——经验观察和数学理论的结合，正是由于这两位科学家的融合，取长补短，才使开普勒在浩渺的宇宙中，发现了行星运动的三大定律。

开普勒

开普勒的《宇宙的奥秘》在纯先验思辨的基础上推导出了宇宙的结构，而第谷的功劳则主要是经验方面，不是在理论方面。第谷的宇宙体系是介于托勒密体系和哥白尼体系之间的折中体系，他把地球设想为月球轨道和太阳轨道的静止中心。其余的五个行星则围绕太阳旋转，这一体系在天文学史上没有什么重要的价值。重要的是他进行了几十年之久的精密天文观察，他的技术在当时是相当高超的。在观测、研究星空方面得到国王的支持和赏识，出重金在哥本哈根和赫尔辛基之间海峡的赫芬岛上，为第谷建立了当时世界上最大、最先进的观天堡。可是他不知道怎样正确地使用这些财富。第谷虽不同意《宇宙的奥秘》中的“日心说”，但他十分钦佩开普勒的数学知识和创造天才。

1600年2月的一天，正当第谷坐在贝那特克宫中盼望他的未来助手时，忽然闻讯开普勒到达布拉格的消息，他真是喜出望外。皇帝恩赐给第谷的贝那特克宫离布拉格仅有8公里左右，开普勒心急如焚。2月4日晚上开普勒到达贝那特宫，两个性格完全相反的人共同生活，朝夕相处，谈何容易，免不了要发生争执和不愉快。好在他们有着类似的命运，是命运把这两个当时最伟大的天文学家联结到一起的。布拉格不但是开普勒的避难地，也是第谷的避难地。

第谷

第谷是被人从赫芬岛上驱逐出来的，他的施主丹麦王弗里德里希死后没有几年，他就不得不离开那儿了，只救出了他的极其珍贵的仪器，而为了观察星星所建立的巨大建筑物不是被拆除，就是倒塌得狼狈不堪。这件事使他很快就变老了，开始用疑惑的眼光来看待周围的环境，不愿意公布他的天文观察记录。他是位顽固专横的师傅，要求助手绝对服从他，这一点开普勒是很难做到的。

求知欲极旺的天才——开普勒，极想把第谷确定了的行星轨道的正确数值和他自己设想的模型对照一下，但第谷最初并不想让他真正地分享他的成果。只是有时在谈话中他才偶尔漫不经心地谈到一些无关宏旨的事情，“今天他提到了一个行星的远地点，明天提到另一个行星的交点。”直到开普勒立下字据，保证严守秘密时，他才得到了火星的观察数据。于是，开普勒夜以继日地研究，希望得到一个幸运的结果，他知道，只有这样才能得到别的观察数据。然而，要想实现一个愿望可不是易事，必须付出相当大的代价。他经年累月，不知度过了多少不眠之夜，终于完成了火星的理论研究，改变了整个天文学。正是这颗行星的运动使他最后探索出了天体的秘密，要不然他可能永远也解不开这个谜。从此使开普勒放弃了关于行星做圆周运动的旧思想，主张它们是在椭圆轨道上运行，太阳则位于这些椭圆的一个焦点上。

开普勒逐渐适应了第谷的性格，这个比第谷小25岁的年轻人，一直受到贫困的袭击，始终为自己的温饱奋斗。开普勒得到了第谷的关怀，在开普勒病倒的时候，第谷派人给他送钱，帮他及时就医。不久后，第谷筹划了一项大规模的计划，他想和开普勒一起开始着手大规模的天文计算工作。事实上，这项工作是应该确定行星的运行，但为了尊崇皇帝，便命名为《鲁道尔夫星行表》。

这时，第谷在短期重病以后突然离开了人世。第谷临终前对开普勒说：“我一生都在观察星表，我要得到一种准确的星表，我的目标是一千颗星……我希望你能把我的工作继续下去，我把我的一切资料都交给你，愿你把我观察的结果发表出来，你不会使我失望吧？”开普勒含泪站立在第谷的床前，沉痛地说：“我不会！”开普勒知道应该怎样感激这位老人。开普勒没有使第谷失望，1627年，《鲁道尔夫星行表》便在乌尔姆出版，第谷的名字载入了科学史册。

第谷逝世后，皇帝顾问巴尔维茨前来看望开普勒，并根据皇帝的命令委派开普勒管理已故丹麦天文学家的仪器和未竟事业。这对开普勒来说，是接任了皇家数学家的职务。他利用第谷留下的大量的天体观测资料，进行了仔细的分析研究。火星轨道的计算使开普勒的研究方法发生了根本性变化。

过去他是空想宇宙体系的结构，现在他“汗流浃背，气喘如牛地跟踪着造物主的足迹”，就是说把研究倒了个儿，依靠天体来研究几何学。从此他开始设想建立一种没有假设的天文学。

开普勒第二定律（面积定律）：对每个行星而言，行星和太阳的连线在任意相等的时间内扫过的面积都相等

当时，不论是地心说还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现，火星并非作匀速圆周运动。经过4年的观察和苦思冥想，他发现火星的轨道是椭圆形，于是得出了开普勒第一定律：火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。随着火星椭圆形轨道的发现，火星运动的计算开始全面展开。开普勒通过计算发现，火星运动的速度是不匀的，当它离太阳较近时运动得较快，离太阳远时运动得较慢，但从任何一点开始，向径（太阳中心到行星中心的连线）在相等的时间所扫过的面积相等。这就是开普勒第二定律（面积定律）。但是，开普勒关于火星运动的著作《新天文学》在历尽艰辛和迟延以后，直到1609年夏天才印刷出版。该书还指出两定律同样适用于其他行星和月球的运动。这本著作是现代天文学的奠基石。

然而，早已放弃了自己天文学野心的皇帝顾问滕格纳尔却没有认识到开普勒的伟大成绩，就连当时一些著名的天文学家也是这样。开普勒看到他的著作遭到了许多人的轻视和误解，便保持沉默。他丝毫没失去信心，把一切希望都寄托在另外一个追求科学真理的人身上，这个人的有力评价对开普勒的这两大定律能够得到世人承认是至关重要的。他就是帕多瓦大学数学教授伽利略。早在格拉茨时，开普勒就想和伽利略建立联系，他把《宇宙的奥秘》寄给了伽利略。那时，伽利略就觉察到他是哥白尼宇宙体系的信徒和保卫者，认为开普勒是他“探寻真理的一位朋友”。

1610年3月15日，皇帝顾问瓦克尔·冯·瓦肯费尔斯坐车经过开普勒的寓所。“开普勒！”他坐在车上喊，“伽利略在帕多瓦用一个双透镜望远镜发现了四颗新行星。”开普勒十分激动。不久后，他就得到了伽利略发现的详细情况。当他得到《星球的使者》后没有几天，就起草了一封祝贺信回敬给伽利略。此后，开普勒一再努力终于得到了一架望远镜，使他能够用自己的眼睛来检验伽利略的发现。他把观察结果写进了一本小册子《论木星卫星》，为伽利略的发现提供了最好的旁证。

开普勒第三定律（周期定律）：行星绕日一圈时间的平方和行星各自椭圆轨道的长半轴的立方成正比。

1619年，正当世界历史迈出不可抗拒的一步的时候，科学也向前推进了一个阶段。德国乃至欧洲爆发了流血战争，宗教战争一直持续着，科学和神学的斗争也时刻没有停止。正是这年，开普勒著成《宇宙谐和论》。这部著作凝聚着他10多年的心血，以及长期繁杂的计算和无数次失败。它不仅是第一次系统地论述了近代科学的法则，而且也完成了古典科学的复兴。它标志着天文学发展到了新高峰，使开普勒创立的行星运动的第三定律（周期定律），即行星绕太阳公转运动的周期的平方与它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比的理论得以问世。同时，它也宣告了宇宙的和谐和世界的和平，是一部反对战争和热爱科学的伟大思想作品。

开普勒创立的行星运动的三大定律，使天文学进入到一个新的阶段，为牛顿发现万有引力定律打下了基础。

然而，这位伟大科学家一生是在经济困苦和操劳跋涉中度过的。1630年11月15日，他在贫病交困中寂然死去。在他墓前的石碑上写道，“我欲测天高，现在量地深。上苍赐我灵魂，凡俗的肉体安睡在地下。”这是开普勒离开世间前写的两行诗。

自我控制是最强者的本能。

——萧伯纳