行星运动里的定律

17世纪，德国人开普勒在“日心说”的基础上发现了行星运动的三大定律，成为人类对行星运动的第一次定量表述，为万有引力的发现奠定了坚实的基础。

开普勒在“日心说”的基础上，整理了其恩师第谷·布拉赫20多年观测行星运动的数据后，经过4年艰苦计算，总结出了行星运动的三大规律，也称开普勒三定律，或行星运动定律，这个定律是指行星在宇宙空间绕太阳公转所遵循的定律。

开普勒第一定律也叫椭圆轨道定律，具体内容是，所有行星分别在大小不同的轨道上围绕太阳运动。太阳在这些椭圆的一个焦点上。开普勒在确定地球运行轨道时发现，若将地球绕太阳运行的轨道分为若干小段，每一段与太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。开普勒把这一结果推广到其他行星，便得到了开普勒第二定律。对任意行星来说，他与太阳的连线（称为径矢）在相等的时间内扫过相等的面积。开普勒在1609年完成了《新天文学》，发表了关于行星运动的两条定律。自发表第一、第二定律后，开普勒经过更加艰苦的10年努力后，在数字的海洋里又提炼出联系各行星轨道的第三定律。第三定律的具体表述是，行星绕太阳运动轨道半长轴a的立方与运动周期的平方成正比。

1619年，他的《宇宙的和谐》一书出版，介绍了第三定律，他写道：“认识到这一真理，是超出我的最美好的期望的。大局已定，这本书是写出来了，可能当代有人阅读，也可能是供后人阅读。它很可能要等一个世纪才有信奉者，这一点我不管了。”

开普勒的发现有着特殊的意义。

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点就提出过不同见解。但是，对天体遵循完美的均匀圆周运动这一点，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，开普勒定律彻底否定了托勒密的本轮系，把哥白尼体系从本轮的桎梏中解放出来。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80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7个椭圆说就全部解决了。从此，不必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规律。

最后，开普勒定律使人们对行星运动的认识更加清晰。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。行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离，与质量无关。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。

利用前人的科学实验和记录下来的数据而得到科学发现，在科学史上是不少的。但是，像行星运动定律的发现那样，从第谷·布拉赫的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，而这一切都是在没有望远镜的条件下得到的！

开普勒发现的行星运动定律改变了整个天文学，彻底否定了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。