开普勒——揭开了太阳系的奥秘
开普勒——揭开了太阳系的奥秘
《警醒!》德国撰稿员来稿
在16世纪,丹麦天文学家第谷·布拉赫发现了一颗彗星。那个年头,欧洲人对彗星又好奇又害怕。因此,当彗星在夜空中出现时,卡塔琳娜·开普勒就叫醒6岁的儿子约翰内斯,一起观看。二十多年后,第谷去世了。皇帝鲁道夫二世任命谁接任皇家数学家一职呢?就是约翰内斯·开普勒。当年才29岁的他,已成了神圣罗马帝国的皇家数学家。开普勒一直担任这个职务,直至去世为止。
开普勒不仅在数学方面极有威望,还在光学和天文学领域享负盛名。开普勒身材矮小,但聪慧过人,而且性格坚毅。就算面对巨大的压力,他也不肯归信罗马天主教,为此饱受歧视。
数学天才
1571年,约翰内斯·开普勒在德国黑林山边一个叫魏尔的小镇出生,家境贫寒。靠着贵族捐赠的奖学金,开普勒得以接受高等教育。他在蒂宾根大学修读神学,打算在路德会当牧师,但他在数学方面天赋极高,备受注意。1594年,奥地利格拉茨的路德会中学有数学老师去世,就聘用了开普勒任教数学。在格拉茨,他出版了第一部重要著作《宇宙的神秘》。
第谷是同时代的天文学家。他花了许多年时间观测行星,并把观察所得详尽地记录下来。第谷读到《宇宙的神秘》,发现开普勒在数学和天文学方面天资极高,于是邀请他到布拉格附近的伊泽拉(现今捷克共和国境内)一起工作。当时,开普勒遭到宗教歧视,不得不离开格拉茨,就接受了第谷的邀请。就如上文所说,第谷死后,开普勒继承了他未竟的事业。皇室虽少了一位认真严谨的天文观察家,却多了一位数学天才。
光学丰碑
要完全明白第谷的行星观测资料,开普勒就得进一步了解光的折射。行星所反射的光进入地球的大气层时是怎样折射的呢?开普勒的解释记录在“对威蒂略的补充,天文光学说明”一文中。该文对中世纪的科学家威蒂略的书作了补充说明。开普勒的著作令光学向前迈进了一大步。他也是第一个解释视觉如何运作的人。
尽管这样,开普勒一心要钻研的是天文学,不是光学。早期的天文学家相信天空是一个空心的球体,而像钻石般闪闪发光的星就黏附在球体的内表面上。托勒密认为地球是宇宙的中心,哥白尼则相信行星全都绕着静止的太阳运行,第谷就推测行星都绕太阳转,太阳绕地球转。由于从地球的角度来看,其他行星都是天体,所以当时人们认为行星都是完美的,它们的运行轨道必定是正圆,运行速度则恒常不变。开普勒就是在这样的环境下当起皇家数学家来。
开创近代天文学
开普勒利用第谷的行星观测资料,研究宇宙运动规律,再根据自己的观察作出结论。他不光有数学天赋,还有坚强的意志和无穷的求知欲。在研究火星的观测数据时,开普勒做了7200个复杂的运算,可见他的工作能力卓尔不群。
研究期间,首先引起开普勒注意的就是火星。他孜孜不倦地研究观测资料,看出火星绕太阳运行的轨道不可能是正圆,只能是椭圆,太阳则位于椭圆的两个焦点之一,这样才符合观测结果。虽然如此,开普勒意识到,要揭开天体的奥秘,就该研究地球,不该研究火星。马克斯·卡斯帕教授说:“开普勒甚具创意,研究方法别开生面。”举个例,
开普勒运用星表的方式与众不同。他不是用星表来研究火星,而是假设自己站在火星上观看地球。他计算出地球运行的速度跟它至太阳的距离成反比。开普勒终于明白,太阳不仅是太阳系的中心。太阳像是一块大磁铁,绕自己的轴心转动,其引力影响着其他行星的运行。卡斯帕写道:“这是个伟大的新观念。自那时起,开普勒就一直朝这个方向进行研究,结果有所发现,后来命名为开普勒定律。”开普勒认为,行星和谐并存,全都受一套律则所支配,而研究火星和地球得出的定律,应当适用于所有行星。于是,他作出结论:所有行星都绕太阳运行,轨道为椭圆形,运行速度跟它们至太阳的距离有关。
开普勒的行星运动定律
1609年,开普勒出版了《新天文学》一书。这本书被认为是近代天文学的第一部著作,也是天文学方面最重要的著作之一。这部名作记录了开普勒的头两个行星运动定律。1619年,开普勒在奥地利林茨出版的《宇宙和谐论》,则记录了第三定律。这三大定律阐述了行星运动的基本规律,包括行星绕太阳运行的轨道形状,行星运行的速度,及行星至太阳的距离跟其公转周期的关系。
同期的天文学家对开普勒的发现有什么反应呢?他们没有领会开普勒定律的重要性,有些甚至大感惊讶,不敢置信。这也许怪不得他们。开普勒的著作以拉丁散文诗的风格写成,叫人好像雾里看花,不得要领。但随着时间的推移,开普勒的定律终于被人肯定。大约七十年后,牛顿根据
开普勒的著作,提出牛顿运动定律和万有引力的概念。今天,开普勒是公认的伟大科学家,他使天文学脱离中古世纪的模式,进入近代天文学的发展。欧洲陷入宗教战争
开普勒阐明第三定律的同一个月,三十年战争爆发。在那段时期(1618-1648年),欧洲发生宗教屠杀和劫掠,死伤枕藉,德国更失去了三分之一的人口。人们广泛搜捕行巫术的人。开普勒的母亲被控行巫术,但得以死里逃生。可是,据说开普勒的薪俸在战前就没有如期发放,战争期间更是被一拖再拖。
开普勒是个路德会信徒,一生受尽宗教迫害和歧视。由于不肯归信罗马天主教,他被迫离开格拉茨,落得一无所有。在伊泽拉,又有人来游说他改信。但开普勒认为崇拜偶像和圣人是不对的,是魔鬼想出来的主意。在林茨,一些路德会信徒相信上帝无所不在,开普勒不认同这个想法,结果不可以参加主的晚餐。(见本刊20,21页 )开普勒对宗教歧视深恶痛绝。他认为既然天体和谐并存,人类也该和谐共处。他信念坚定,不把迫害当一回事。他说:“为了信仰,为了基督的荣耀,而要和许多弟兄一起受苦,忍受迫害和羞辱,撇下房屋、田地、朋友、家人,我感到无上光荣。”(《开普勒传》,恩斯特·肯纳著)
1627年,开普勒出版了《鲁道夫星表》。他认为这是自己在天文学方面的重要成就。《鲁道夫星表》和他早期的著作不同。它受到广泛的赞誉,不久就成为天文学家和航海学家必备的指南。1630年11月,开普勒于德国雷根斯堡去世。开普勒死后,他的同事仍不住地惊叹他“对最深邃的秘密,能提出如此确凿的证据,拥有如此渊博的知识”。开普勒揭开了太阳系的奥秘,对这样的赞誉实在当之无愧。
[第26页的精选语句]
开普勒是公认的伟大科学家,他使天文学脱离中古世纪的模式,进入近代天文学的发展
[第27页的精选语句]
开普勒对宗教歧视深恶痛绝。他认为既然天体和谐并存,人类也该和谐共处
[第27页的附栏]
开普勒的占星学和宗教信仰
约翰内斯·开普勒在天文学方面有许多重大发现,因而声名大噪。尽管他摒弃“许多关于星宿主宰命运的说法”,还是写了大量有关占星学的书,可见他多少也受到当日流行的宗教思想影响。
对一般基督教所主张的三位一体,开普勒深信不疑。“他坚信天体几何象征基督教的三位一体,可见的受造宇宙实际反映三位一体这个神圣的奥秘(父上帝是中心;子基督是圆周;圣灵是介于两者的空间)。”(《不列颠百科全书》,英语)
牛顿爵士又怎样看三位一体这个教义呢?跟开普勒恰恰相反,牛顿不接受三位一体。他提出的主要理由是,他曾想要证实教会的说法和有关三位一体的信条,但发现圣经并不支持这个教义。牛顿坚信圣经说耶和华上帝是至高的统治主,而耶稣基督的地位是低于他父亲的。 *(哥林多前书15:28)
[脚注]
^ 30段 参看《守望台》1977年10月15日刊628-631页。
[第24-26页的图解或图片]
(排版后的式样,见出版物)
开普勒行星运动定律
今天,开普勒行星运动定律仍被视为近代天文学的开端。行星运动定律的概略如下:
1 所有行星都在椭圆轨道上环绕太阳运行,太阳位于椭圆的一个焦点
← 太阳 ←
↓ ↑
↓ ↑
行星 ● ↑
→ → →
2 行星越接近太阳,运行的速度就越快。无论行星与太阳的距离是远是近,联系行星和太阳中心的线在相等的时间内扫过相等的面积
行星运行的速度加快
行星运行的速度减慢
A ● B
↓ ↑
↓ 太阳
A
↓
↓
● B
A
→
→
● B
换句话说,假设在每个例子中,行星从A 点运行到B 点的时间 都是相等的,那么阴影部分的面积 也是相等的
3 行星绕太阳运行一周所需的时间,称为行星的公转周期。行星公转周期的平方与它至太阳的平均距离的立方成比例
[图表]
行星 水星
与太阳的距离 *0.387
公转周期(年) 0.241
周期的平方 0.058 *
距离的立方 0.058 *
行星 金星
与太阳的距离 0.723
公转周期(年) 0.615
周期的平方 0.378
距离的立方 0.378
行星 地球
与太阳的距离 1
公转周期(年) 1
周期的平方 1
距离的立方 1
行星 火星
与太阳的距离 1.524
公转周期(年) 1.881
周期的平方 3.538
距离的立方 3.540
行星 木星
与太阳的距离 5.203
公转周期(年) 11.862
周期的平方 140.707
距离的立方 140.851
行星 土星
与太阳的距离 9.539
公转周期(年) 29.458
周期的平方 867.774
距离的立方 867.977
[脚注]
^ 61段 相对于地球至太阳的距离而言。例如,火星至太阳的距离是地球至太阳的距离的1.524倍。
^ 63段 请注意在这个图表中,每个行星的这两个数字都相等或十分接近。行星离太阳越远,两个数字的差异就越大。后来,牛顿发现了正确的计算方法,就是把太阳和行星的质量也都计算在内,于是在万有引力定律中修正了开普勒第三定律。
^ 64段 请注意在这个图表中,每个行星的这两个数字都相等或十分接近。行星离太阳越远,两个数字的差异就越大。后来,牛顿发现了正确的计算方法,就是把太阳和行星的质量也都计算在内,于是在万有引力定律中修正了开普勒第三定律。
[第24页的图片]
木星
[第24页的图片]
哥白尼
[第24页的图片]
第谷
[第24,25页 的图片]
开普勒
[第25页的图片]
牛顿
[第25页的图片]
金星
[第26页的图片]
海王星
[第26页的图片]
开普勒的望远镜和著作
[第27页的图片]
土星
[鸣谢]
Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS
[第24页的图片鸣谢]
哥白尼和第谷: Brown Brothers; 开普勒: Erich Lessing/Art Resource, NY; 木星: Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS; 行星: JPL
[第25页的图片鸣谢]
金星: Courtesy of NASA/JPL/Caltech; 行星: JPL
[第26页的图片鸣谢]
望远镜: Erich Lessing/Art Resource, NY; 海王星: JPL; 火星: NASA/JPL; 地球: NASA photo