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——生活在这个年代,能够遇到这样的老师是上天的恩赐,感谢有你!
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碎阅读:“天空立法者”开普勒
点击:30 评论:0 2021年8月22日 12:36 作者:刘旺 智词:
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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。天体运动其实遵循某种规律,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,因发现了行星运动的三大定律,确立了太阳系的概念,被誉为“天空立法者”。

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,1594年,开普勒应邀到了奥地利格拉茨,担任一所路德派高级中学的数学教师。

据说某一天他上课时突然想到了这样一个问题:为什么太阳只有6颗行星而不是7颗、10颗或者更多?还有,行星的轨道为什么大小会有变化?他将这些问题与欧几里得的几何学、毕达哥拉斯与柏拉图的哲学联系起来思考,其结果就是《宇宙结构的秘密》,这是开普勒的第一本著作。

著作出版之后,开普勒将它们分送给他所尊敬的天文学家们,包括第谷,第谷详细地阅读了他的作品,诚心诚意地邀请他前往自己所在的天文台,与他一起研究天文学。

然而,第二年第谷突然病逝,临终前要求开普勒完成他们未竟之工作。第谷的逝世令开普勒深感悲伤,他有一种宿命感,认为他与第谷的相遇是上天注定的,像他自己后来所言:“上帝通过一种不可改变的命运把我同第谷联系在一起,即使我们发生了严重的分歧也不许我们分手。”

他们二人一个是天才观测家,但在理论构建上不怎么在行。另一个则是天才理论家,但在观测上也很一般。现在,当他们结合起来后,的的确确是西方科学史上的最佳拍档!

第谷去世之后,开普勒担任了皇家数学家和御前天文学家。给天文学带来两个变革:一是把地球从宇宙中心的地位上解脱出来,彻底结束“地心”说;二是使天文学结束依赖于王室的“占星术”地位。天文学作为一门独立学科屹立于科学之林。

1609年对天文学而言,是值得大书特书的一年,除了伽利略首先用望远镜观测星空外,开普勒也在这一年出版《新天文学》,这是近代天文学的奠基性著作。在其中,开普勒提出关于行星运动的第一和第二定律。

成功源自长期不懈努力,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。

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。

根据这两个定律,他可以确定任何时刻行星在各自轨道上的位置。

有了开普勒的这两个定律之后,仅仅只需要用7个椭圆(金、木、水、火、土、地球、月亮的运动轨道)就足以取代哥白尼的34个轮子,并且计算起来,不但简洁明了,而且精度也大大提高,这才是真正的宇宙和谐之美啊。

开普勒并不满足上述两个结果,因为既然轨道和面积都有规律,那么行星的公转周期也一定有规律可循。他又踏上了新的求索之路,这一走可就是整整10年。

在开普勒思考第三定律的当时,借助刚被发现对数这一工具,正是在使用对数法的尝试中,开普勒发现了行星的第三个运行规律。

1619年,他又出版了《宇宙和谐律》,在这里他提出了关于行星运动的第三定律:所有行星公转周期的平方与它到太阳之间距离的立方成正比。这也就是说,对于每颗行星,其公转周期与到太阳之间的距离之比乃是一个常数。如此,开普勒就在时间与距离之间建立了巧妙的联系,结合上面的轨道定律与面积定律,开普勒终于完成了对于行星运动规律的描述。

到此时,一个完整的行星运行三定律呈现于世人面前。这是个非常重要的自然定律,不仅行星要遵循它,连同行星的卫星及太阳周围的其他天体都在遵循着它,这些规律使人们认识到,太阳所率领的大家族并不是一群“乌合之众”,而是一个有秩序的大家族,不仅太阳系是个有规律的体系,天空中的所有星体间也都有一定的秩序,都是有规律可循的。

开普勒之所以有如此伟大的成就,与他酷爱数学有关,他一生重视数的作用,坚信在自然界所有现象的背后总能找到数的规律,这就是古希腊哲学家所推崇的和谐。规律越简单,就越接近自然,越能包容越多的内容,这种“包容”就是从数的规律与和谐中体现出来。

正因如此,开普勒始终坚持哥白尼的“日心说”,因为日心体系在数学上是最简单,也是最和谐的。他曾说:“我从灵魂深处证明它是真实的,我以无法形容的欢愉心情去欣赏它的美。”正因为从内心深处接受了哥白尼体系,这种信仰支撑着他从浩瀚复杂的数字中找到完美的数学规律来。(2021-08-15

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