开普勒拟合火星轨道

       对人类来说宇宙是无穷的，是神秘的，虽然现代的科技如此发达，但了解到的宇宙奥秘还是微乎其微的，就像爱因斯坦所言：“只有两种东西是无限的，那就是宇宙和人类的愚蠢，而对前者我还不能确定。”

　　宇宙是否无限，我们至今不得而知，但天体运动其实也遵循某种规律，它们的发现可说石破天惊，从此激起人类探索宇宙的热情。最早发现天体运行规律的就是德国天文学家开普勒，他也因此博得“天空立法者”的美誉。

　　1571年，开普勒出生在德国的威尔德斯达特镇。12岁时，对神学没有任何兴趣的开普勒被送到修道院学习。17岁时进入杜宾根大学。在杜宾根大学学习期间，受天文学教授麦斯特林的影响，接受了哥白尼的日心说，并像伽利略一样，成为这一学说的热烈拥护者。

　　开普勒的一生充满了不幸，他幼年体弱多病，有一只半残的手，视力也很衰弱；中年时，他的妻子死了，儿子也染上重病，这一切遭遇使他终身贫困交加，不得不靠教书及占星算命维持生活，但是顽强的开普勒并没有被惨痛的命运压倒，他以惊人的毅力为人类做出了巨大的贡献。

　　开普勒很早就注意到距离太阳近的行星走得快，而距离较远的行星走得慢些，由此，他想到行星的运行与太阳的距离有某种关系。凭着丰富的想象力和过人的数学才能，开普勒尝试着解释这些现象，并写了一本书——《神秘的宇宙》。当开普勒把这本书寄给丹麦天文学家第谷·布拉赫后，尽管第谷对开普勒的解释不赞同，但他还是一眼就看出开普勒是一个很有前途的天文学家，于是邀他前来自己所在的布拉格天文台工作。

　　开普勒与第谷一见如故，大有相见恨晚之感。但遗憾的是第二年第谷就去世了。不久圣罗马皇帝鲁道夫就委任开普勒为皇家数学家，成为第谷事业的继承人。

　　视力不是很好的开普勒，在观测的时候遇到了很多的困难，但还是在1604年9月30日发现了在蛇夫座附近出现一颗新星。这颗新星后来被称为“开普勒新星”。3年后，他还发现了闻名世界的哈雷彗星。

　　开普勒是一个善于分析材料的人，他一生的工作，大部分时间都是在分析第谷遗留下来的观测资料。他在研究火星公转的时候发现，各种计算方法算出来的结果都与第谷的观测资料不相吻合。经过仔细分析，他提出一个大胆的设想：火星可能不是人们认为的匀速圆周运动，而是椭圆形的，太阳处于椭圆形中的一个焦点位置。这就是后来的行星运动第一定律。

　　发现了火星的运行轨道是椭圆后，他又把目光转移到了火星的运行速度上。起初，开普勒认为火星运行以相同的速率运行，可不久发现了一个问题：计算结果得出的火星位置与老师第谷观察的数据有8分弧度的差距。8分的弧度相当于火星002秒瞬间转过的角度。开普勒没有放过这一微小的出入，经过反复核算，8分弧度的差距依然存在。开普勒深信，老师第谷是一位对工作一丝不苟的人，他的观察数据应该经得起考验，如果与实际有出入，在反复的比较中，老师不可能没发现。由此，他想到在不同点的速率可能不同，最终得出开普勒第二定律：行星与太阳的边线在相等时间里扫过的面积相等。

　　1612年，罗马皇帝鲁道夫二世被迫退位，开普勒也失去了保护人，因此他不得不离开布拉格，前往奥地利林茨。但这并没有影响他对行星运动的研究，他乘胜追击，此后不久便发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方正比于轨道半长轴的立方。”并于1619年发表在《宇宙和谐论》中。

　　行星运动三大定律的发现是人类第一次为天体运动立法，标志着人类对天文的研究迈出了历史性突破，它的发现不仅为经典天文学奠定了基石，也为数十年后牛顿万有引力定律的发现打下了基础。

　　除天文学外，开普勒对光学也作了长期的研究，并取得了丰硕的成果，1604年发表《对威蒂略的补充——天文光学说明》以及1611年出版《光学》等都是此领域的经典之作。在光学的研究中，开普勒发现阳光穿过大气的时候也会发生折射，总结出了近似折射定律的折射规律，并且正确地解释月全食时月亮出现红色现象的原因——由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上形成的。此外，开普勒还把伽利略望远镜中的凹透镜目镜改换成小凸透镜，从而大大改进了望远镜的观测效果。

　　1630年，开普勒在巴伐利亚州雷根斯堡市去去世。在数十年的战争中，他的坟墓早已被毁弃。但是他“行星运动定律”是一座比任何石碑都更为久伫长存的纪念碑。