沈啟正

品·文苑

開普勒三大定律

沈啟正

【開普勒三大定律】

開普勒第一定律：每一個行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽，太陽則處在橢圓的一個焦點中。

開普勒第二定律：在相等時間內(nèi)，太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積相等。

約翰尼斯·開普勒(1571-1630年)，杰出的德國天文學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了行星運動的三大定律，即軌道定律、面積定律、周期定律。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名，為哥白尼的日心說提供了最可靠的證據(jù)。同時，他對光學(xué)和數(shù)學(xué)也做出了重要的貢獻。此外，他還是現(xiàn)代實驗光學(xué)的奠基人。

開普勒認(rèn)真地研究了他的導(dǎo)師第谷多年來對行星進行仔細(xì)觀察所做的大量記錄。第谷是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以前的最后一位偉大的天文學(xué)家，開普勒認(rèn)為通過對第谷的記錄做仔細(xì)的數(shù)學(xué)分析，就可以確定哥白尼日心說、托勒密地心說和第谷提出的軌道學(xué)說，到底哪個是正確的。

當(dāng)時不論是地心說還是日心說，都認(rèn)為行星是作勻速圓周運動的。但開普勒發(fā)現(xiàn)，對火星的軌道來說，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法，即便經(jīng)過多年的苦思冥想和煞費苦心的數(shù)學(xué)計算，其結(jié)果都與第谷的實際觀測不符，于是他放棄了火星作勻速圓周運動的觀念，并試圖用別的幾何圖形來解釋。

1609年，他發(fā)現(xiàn)橢圓形完全適合這里的要求，能做出同樣準(zhǔn)確的解釋。最終，開普勒認(rèn)識到了所存在的問題：他與第谷、哥白尼以及所有的經(jīng)典天文學(xué)家一樣，都假定行星軌道是由圓或復(fù)合圓組成的，但實際上行星軌道不是圓形的而是橢圓形的。就這樣，開普勒得出了“開普勒第一定律（軌道定律）”：火星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽處于兩焦點之一的位置。”

發(fā)現(xiàn)行星沿橢圓軌道運動，需有擺脫傳統(tǒng)觀念的智慧和毅力,此前所有的天文學(xué)家，包括哥白尼和伽利略在內(nèi)，都堅持天體是完美的物體，圓是完美的形狀，一切天體運動都是圓周運動的成見。第谷的精確觀測加上開普勒的努力，終于將日心說向前推進了一大步。

接著，開普勒又發(fā)現(xiàn)火星的運行速度不是勻速的，當(dāng)它離太陽較近時運動得較快(近日點)，離太陽較遠(yuǎn)時運動得較慢(遠(yuǎn)日點)。但從任何一點開始，向徑(太陽中心到行星中心的連線)在相等的時間所掃過的面積都相等。這就是“開普勒第二定律(面積定律)”。

這兩條定律刊登在1609年出版的《新天文學(xué)》(又名《論火星的運動》)一書中，該書還指出兩條定律同樣適用于其他行星和月球的運動。

周期定律的發(fā)現(xiàn)更艱難，開普勒克服了工作環(huán)境的不利與長年的身心疲憊，經(jīng)過長期繁雜的計算和無數(shù)次失敗，最后創(chuàng)立了行星運動的第三定律(周期定律)：行星繞太陽公轉(zhuǎn)運動的周期的平方，與它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比。這一研究結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙諧和論》書中。

開普勒自幼天資聰穎，學(xué)業(yè)成績優(yōu)異，還是個充滿幻想與激情的人。1600年，他出版了《夢游》一書，這是一部談?wù)撊祟惻c月球人交往的純幻想作品，書中談到了許多不可思議的東西，像噴氣推進、零重力狀態(tài)、軌道慣性、宇宙服等等。人們至今不明白，近400年前的開普勒，是根據(jù)什么想象出這些高科技成果的。盡管開普勒的書是純幻想作品，受到古希臘哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家畢達哥拉斯或古希臘神話的影響，但由此也可看出他具有極高的科學(xué)敏銳度與洞察力。