开普勒

悲情人生 天空立法——纪念开普勒发现行星运动定律

山东省高唐县职业教育中心 高唐 选自《物理教师》2009年第2期

1.开普勒的悲情人生

开普勒约翰•开普勒(Johanns Kepler,1571~1630),德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说,并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科学史家称为“创制天空法律者”。

1571年12月27日,开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭。他的祖父曾是当地颇有名望的贵族,曾做过魏尔市的市长,但当开普勒幼年时,父亲经常弃家不顾,家道已经衰落,全家人就靠经营一家小酒店生活。开普勒是一个早产儿,体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸,4岁时患上了天花和猩红热,虽侥幸死里逃生,身体却受到了严重的摧残,视力衰弱,满脸麻子,一只手半残,贫苦多病的幼年生活使他的身体很虚弱。开普勒17岁丧父,不久,他的母亲被人指控行巫,在一个月黑之夜,他的母亲被抓走,装进一只上了数把锁的衣箱带到莱昂贝克法庭受到严厉审讯。在基督教会眼中,巫婆是魔鬼的化身。曾有成千上万人在“行巫”罪名下被教会活活烧死。开普勒不得不四处奔走。进行多年的艰苦营救。虽然最后幸免一死,但这位受尽刑罚、近乎痴呆的老人被释后不久便去世了。

开普勒的5个兄弟姐妹中,3个早逝,1个患有癫痫。双亲没有给他留下任何财产和体面,成年后,他又承受着多个子女夭折的巨大悲痛。但开普勒身上有一种顽强的进取精神。他凭着远大的理想、顽强的意志和旺盛的求知欲望,在后来的学习和工作中取得了巨大的成就。在读大学时,他受当时秘密宣传哥白尼学说的天文学教授马斯特林影响,成为哥白尼日心说的忠实信奉者。1594年他去奥地利任中学数学教师,并从事天文学研究。1598年,菲迪南大公颁布了反新教法令,在天主教会的胁迫下,新教徒开普勒不得不逃离德国。1600年初,在第谷的热情邀请下,开普勒来到布拉格,当了第谷的助手,开始了他天文学研究的新时期。一年后第谷不幸去世,开普勒被任命为皇家天文学家。继承了老师未竟的事业,在科学上做出了一系列杰出贡献。

晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。1625年,他写了题为《为第谷•布拉赫申辩》的著作,驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击,因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的著作列为禁书。1626年,一群天主教,徒包围了开普勒的住所,扬言要处决他。后来,开普勒因为曾担任国王的数学家而幸免于难。

开普勒是一位善于创新的科学勇士,他的一生,除了和第谷相处的近两年时间外,几乎都是在逆境中度过的。有时,不得不靠编制星相历书来增加收入,他说:“这样总比讨饭要强一些。”1630年11月,因数月未得到薪金,生活难以维持,年迈的开普勒不得不拖着病体亲自索取.11月14日,当他走到巴伐利亚的雷根斯堡的时候,衰老多病的老人抵抗不住冷风冷雨的侵袭,第2天在一家客栈里悄悄地离开了世界。终年59岁。他死时,除一些书籍和手稿之外,身上仅剩下了7芬尼(1马克相当于100芬尼)。然而,厄运并没有因为他的去世而放过这位可怜的人,在宗教“三十年战争”期间,埋葬开普勒的新教墓地被对立派夷为平地,尸骨荡然无存了。但是,开普勒的业绩和英名,却永远与行星共在,千古流芳,永世长存!

2.创制天空法律

丹麦天文学家第谷(1546~1601)对天文观测有着浓厚的兴趣,并受到丹麦王室的大力资助,建造了最大的天文台和购置了大量观测设,长期专注于天文观测工作。为了修订历法和航海,急需编制一个新的星表,而这无疑需要积累大量的精确的天文观测资料,为此第谷坚持天文观测长达21年之久。1600年,开普勒幸运地成为第谷德助手,真正走向了科学发现的道路。1601年10月24日,第谷因病去世。弥留之际,第谷把大量观测资料留给开普勒去整理,要求他继续完成行星运行表,为了报答鲁道夫国王的资助,将完成后的星表命名为《鲁道夫行星表》,并要求他恪守第谷体系。这是介于哥白尼“日心说”和托勒密“地心说”之间的折中体系。

开普勒万分感谢第谷的信任,在第谷的全部观测成果的基础上,发挥他的特长,将数学用于天文学的计算中。在整理第谷对火星的观测资料时,他耐心地研究火星年复一年在天空的运动过程,以顽强的毅力寻找火星运动规律。开普勒坚信自然界是和谐的,天体运动肯定有一定的规律性。他把自己的着眼点首先放到寻找行星运动的规律上。正是对第谷资料的尊重,使他更坚信了哥白尼的观点,很多想法又超越了哥白尼。

在行星运动三大定律中,第二定律首先被发现。开普勒的第一个假设是:自转太阳的磁力不断驱动行星做轨道运动。这就像太阳神阿波罗坐在马车上原地兜圈子,挥动长鞭驱使着他的行星马。开普勒推测,马儿受到鞭子力的大小与它到太阳神的距离成反比;开普勒的第2个假设是:行星运动划出的相等小弧所经历的时间(t),与行星到太阳的距离(r)成正比,开普勒第二定律(面积定律)的现代表述为:在相等的时间间隔内,行星和太阳的连线在任何地点沿轨道所扫过的面积相等。在这里,开普勒用了类似微积分的方法大胆推理,由于微积分尚未问世,这种处理方法是如此狂妄,遭到了当时数学界的围剿。开普勒计算出:在行星偏心轨道上,近日点运行较快,远日点运行较慢。在《新天文学》(1609年)中,开普勒追忆了他的发现过程:“由于我认识到在运动的轨道上有无穷多个点对应着无穷多个与太阳的距离,我就想到运动轨道的面积包括了这些距离的和,因为我想起阿基米德使用同样的方法把圆分解成无穷多个三角形。”让人惊奇的是,开普勒的运气如此之好,竟从几个不正确的假设推导出正确的结果。

他根据火星运动的真实轨道发现:第谷对火星运动的观测值与由哥白尼学说推算出来的数值不吻合。开普勒坚信第谷观测值的可靠性,质疑古老的圆形轨道理论。他试着用椭圆轨道代替圆形轨道,这样推算出的火星轨道位置与第谷观测值才基本吻合。

开普勒发现火星的运动轨道是椭圆形的,他把这一成果推广到金星、地球、木星和土星等,便建立起行星第一运动定律(椭圆轨道定律):每个行星都沿着以太阳为焦点的椭圆轨道运动。据此他发现了椭圆形轨道是太阳系行星运动的真实轨迹。太阳不是在圆形轨道的中心,而是位于这些椭圆形轨道的一个焦点上,这就是行星运动的第一定律。

1609年,开普勒在他出版的《新天文学》一书中,阐述了上述两个著名定律。但在混沌中追寻宇宙和谐的他并不满意,因为各行星运动之间定量的和谐关系尚未揭示。这个问题是亚里士多德、托勒密和哥白尼都不曾考虑过的,他的第三次探索,花了整整10年,最终以行星运动第三定律的形式展现了他10年的研究成果。开普勒行星运动第三定律(和谐定律)的关系式:任何两行星的周期之比等于它们离太阳平均距离之比的3/2次方。

他在《世界的和谐》(Harmonices mundi)一写道:“(这正是)我十六年以前就强烈希望要探求的东西,……现在我终于揭录出它的真相。认识到这一真理,超出了我最美好的期望。……我正在写的这部书——是现在还是子孙后代会读到它,那无关紧要。它可以为有一个读者而等上整整一个世纪,正如上帝自己为了有一个智者而等了6000年一样。”

经过数十年的复杂计算,开普勒建立起行星的三大运动定律,简明而精确地确定了行星过去和未来的位置,从而将太阳系的运动与数学紧密联系在一起,证实了他的自然界和谐性的这一信念。作为行星的三大运动定律的佐证,开普勒还观察和描述了在1600年至1604年出现的一些新星,证实天空确实在变化着。在1619年至1620年他写完并出版了《彗星论》一书。指出彗星尾巴总是背向太阳的原因。

特别应该指出的是,开普勒在发现行星运动规律的同时,一直没有忘记完成第谷生前的嘱托,1627年他公布了以他们的保护人鲁道夫命名的星表——《鲁道夫行星表》,这比当时通行的《普鲁士星表》和《阿尔丰索星表》要准确得多、有效得多。他花了一年时间研究和设计出开普勒式望远镜。在1611年出版的《光学》一书中阐述了近代望远镜的理论。他用自己的发现和第谷的成果修正并丰富了哥白尼学说体系。

开普勒打开了根据机械力的动力平衡来阐述天体运行模式的大门,使物理学进入了当时的科学前沿——天文学领域。他的工作直接导致了后来万有引力定律的发现.著名的德国哲学家黑格尔(Geory Wilhelm Friedrich Hegel,1770~1831)称开普勒是天体力学的真正奠基人。同时,在科学与神权的斗争中,开普勒坚定地站在了科学的一边,用自己虐弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念,推动了唯物主义世界观的发展,使人类科学向前跨进了一大步。马克思高度评价了开普勒的品格,称他是自己所喜爱的英雄。

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发布时间:2010-1-28 7:27:29  阅读次数:9298

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