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開普勒和他的行星定律

2017-07-01 00:41紅馬童書
小火炬·閱讀作文 2017年4期
關(guān)鍵詞:哥白尼開普勒天文學(xué)

紅馬童書

天文學(xué)的歷史非常悠久,生活在兩千多年以前的人們就對掛在天上的太陽、月亮和星星充滿了好奇。在確定它們不會輕易掉下來砸到腦袋以后,大家開始觀察它們的位置和出現(xiàn)的時間,研究它們跟季節(jié)、潮汐的關(guān)系。

那時,天文學(xué)還有一個頂重要的作用是占星。人們相信天象的變化和人間即將發(fā)生的大事件有關(guān),可以預(yù)測戰(zhàn)爭的勝負(fù)、、國家的興亡或者……自己的運(yùn)氣。這聽起來挺不靠譜,不過因?yàn)檎夹切枰^測天象,所以的確對天文學(xué)的發(fā)展有幫助。

如果說正兒八經(jīng)的天文學(xué)知識,古時候西方最主流的是古希臘大學(xué)者亞里士多德提出的地心說。他認(rèn)為地球是宇宙的中心,其他的一切包括太陽、月亮和五大行星都圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。(注:那時靠肉眼能觀測到的行星只有金星、木星、水星、火星和土星這五顆。)它們之所以會轉(zhuǎn),是因?yàn)橛幸环N神秘的力量在推動,而發(fā)出這種持續(xù)推動力的……咳咳……就是神。

別笑,那時候幾乎所有人都相信神的力量,所以大家覺得亞里土多德的見解高明極了。

住在亞歷山大城的古埃及學(xué)者托勒密和亞里士多德的看法差不多。他認(rèn)為地球靜止不動地待在宇宙正中心,太陽、月亮和五大行星沿著完美的圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。在它們的軌道以外,有個晶瑩的天層,那里就是各位神靈的家。

在漫長的一千五百年里,西方人對地心說深信不疑。16世紀(jì)初,波蘭天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過幾十年的觀測和研究,發(fā)現(xiàn)地心說其實(shí)大錯特錯。他認(rèn)為處于宇宙中心的不是地球而是太陽,地球和別的行星都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn),只有月亮繞地球運(yùn)轉(zhuǎn),日月星辰每天東升西落是因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)。

哥白尼的發(fā)現(xiàn)非常偉大,但狂熱的宗教信仰者們認(rèn)為他冒犯了上帝,于是起勁兒反對。哥白尼還算運(yùn)氣好,至少沒有被殺掉,他的支持者布魯諾則被燒死在羅馬的鮮花廣場上。雖然追求真理的道路很慘烈,但總有那么一些不怕死的家伙。我們今天要認(rèn)識的,就是繼承了哥白尼學(xué)說的德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒(1571年-1630年)。

真幸運(yùn),開普勒沒被燒死,還發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動三大定律。他的定律讓地心說徹底垮臺,也讓行星復(fù)雜的運(yùn)動變得不再神秘。下面就是這位先生的故事,你會看到他波折的一生以及探索真理的勇氣和毅力,還會了解到一些有關(guān)他的小秘密,比如……

天文學(xué)家需要大量觀測,偏偏他的視力很差。

他不愛刮胡子也不愛剪頭發(fā),形象超邋遢。

他雖然曾經(jīng)在宮廷任職,但一直是個窮光蛋。

他最愛的讀物是《天體運(yùn)行論》,你猜作者是誰?

開普勒開獎啦不要輕易評價不了解的事

我家在德國南部的瓦爾,老爸是個粗俗的職業(yè)傭兵。他常常跟隨部隊(duì)到處打仗,有一次離開了家就再也沒回來。從那以后,老媽的脾氣變得很古怪一其實(shí)她本來就夠古怪的了。有人說她會施展巫術(shù),還有人說她是個女巫。她有一個沒有窗戶的小房間,里面充滿霉味和灰塵,每件家具的歷史都超過一百年。她常把自己關(guān)在里面,“嘰里咕?!钡啬钪湔Z,還會用各種草藥調(diào)配神秘的藥水。

女巫并不是合法職業(yè),為了養(yǎng)家,老媽還經(jīng)營著一家小酒館。我從小就在酒館里幫忙,盡管這份工作對我來說并不適合。我小時候得過天花和猩紅熱,雖然死里逃生,但一只手的手指變得很不靈活,視力也受到了影響,臉上還留下了很多大麻點(diǎn)兒——你瞧我這運(yùn)氣!

你瞧,讓未來的天文學(xué)家一天到晚在酒館里挨酒鬼的打是不是太過分了。不過說真的,那時我可沒想過以后研究天文學(xué),我的目標(biāo)是繼承小酒館或者當(dāng)個神父。

十幾歲時,我進(jìn)入瓦爾的一家拉丁語學(xué)校讀書,至于學(xué)習(xí)內(nèi)容嘛,大部分都是頂沒勁的宗教典籍。幾年后,我得到一筆獎學(xué)金,進(jìn)入圖賓根大學(xué)學(xué)習(xí)神學(xué)和數(shù)學(xué)。在我的年代,天文學(xué)被當(dāng)成數(shù)學(xué)的一部分,所以我也學(xué)到了一些天文學(xué)知識。

天文學(xué)教授馬斯特林在課堂上講授地心說,但下課以后常常滿懷熱情地介紹哥白尼和日心說。

開頭我也覺得日心說荒謬極了,然而事實(shí)告訴我不要輕易評價我所不了解的事,因?yàn)槟侵荒茱@示出自己的無知。當(dāng)我弄清楚日心說理論以后,我迷上了天文學(xué),變成了哥白尼最堅定的支持者。

我不會硬要做自己不擅長的工作

1391年,我從圖賓根大學(xué)畢業(yè),得到了一個碩士學(xué)位以及這樣一份評語。

我的同學(xué)紛紛被推薦當(dāng)了神父,而我沒有得到任何工作。后來,奧地利的格拉茨神學(xué)院出現(xiàn)了一個數(shù)學(xué)教師的空缺,在馬斯特林教授的幫助下,我拿到了聘書。

除了上課,我還有很多空閑時間,于是我決定像哥白尼一樣研究宇宙的奧秘,成為一名天文學(xué)家。觀測和記錄是天文學(xué)家最重要的工作,但是你也聽說了,我的視力不好,所以我打算用數(shù)學(xué)方法來解釋其他天文學(xué)家的觀測數(shù)據(jù)——硬要做自己不擅長的工作才是笨蛋咧,視力這種事是硬傷,又不是努力就能改變的。

你知道,數(shù)學(xué)計算非常枯燥,而且需要集中注意力。我試過幾天幾夜不睡覺,也試過把身邊的一切都忘掉。因?yàn)閷Y(jié)果太期待,所以整個過程變得非常有趣。不過,我的學(xué)生和同事恐怕不這么想,他們對我來不及修剪的胡子和頭發(fā)很有意見。

我按照計算結(jié)果制作了一個宇宙模型,并把這一切寫成一本書,書名是《宇宙的神秘》——聽起來還不錯對吧。也許你認(rèn)識一個叫伽利略的人,他是和我同時代的意大利科學(xué)家,剛好也在研究宇宙問題。他寫過一封信給我……

因?yàn)椤案绨啄帷焙汀叭招恼f”都是敏感詞,所以他在信里用了暗號。我把新出版的《宇宙的神秘》寄給他,并告訴他我正在研究行星的運(yùn)行軌道。遺憾的是,他似乎并不感興趣。

可怕的是連重新開始都沒有勇氣

1598年,奧地利爆發(fā)了激烈的宗教沖突,同樣信仰上帝的天主教徒和新教徒大打出手。為了躲避戰(zhàn)亂,我離開了奧地利——你瞧,我失業(yè)了。不過這時候,一位大人物給我提供了一個很棒的工作機(jī)會。

看到那個名字了嗎?大名鼎鼎的第谷·布拉赫!他是丹麥王室天文學(xué)家,丹麥國王腓特烈二世曾經(jīng)為他建了一座頂先進(jìn)的天文臺,他擁有最豐富的觀測資料。

對于第谷先生的邀請,我當(dāng)然一口答應(yīng),于是我們在1600年開始了合作。第谷先生以觀測精密著稱,而我則擅長分析數(shù)據(jù),我們剛好互補(bǔ),相處非常愉快。不幸的是,一年以后第谷先生竟然病死了,這對我來說簡直是比失戀還沉重的打擊。我接替了他的工作,還得到了他的觀測資料——你知道那一共有多少嗎?

我把這些觀測資料整理好,并用它們進(jìn)行復(fù)雜又煩瑣的數(shù)學(xué)計算,希望找到行星的運(yùn)行規(guī)律。幾年以后,我終于得出了最后的計算結(jié)果,但我吃驚地發(fā)現(xiàn)這個結(jié)果跟我設(shè)計的那個宇宙模型并不吻合。也就是說,我引以為傲的宇宙模型是錯的,我一直以來的研究也是錯的——這可真令人沮喪啊。

我打算放棄——我是說放棄那個模型,而不是我的興趣。一切從頭開始并不可怕,可怕的是連重新開始都沒有勇氣。

我打贏了和戰(zhàn)神馬爾斯的持久戰(zhàn)

我打起精神繼續(xù)研究,發(fā)現(xiàn)無論是托勒密的地心說、哥白尼的日心說還是第谷先生本人提出的折中學(xué)說,沒有一種符合觀測資料的計算結(jié)果。第谷先生是全世界最準(zhǔn)確的觀察家,他的記錄不可能出錯。我打算用火星當(dāng)例子,弄清問題到底出在哪兒。至于為什么選火星,那是因?yàn)樵诘诠认壬馁Y料里,火星篇幅最多。而且,火星是紅色的,被稱為戰(zhàn)神瑪爾斯,這名字聽起來就很有斗志,不是嗎?

我和瑪爾斯的戰(zhàn)爭開始了。本來我以為很快就能征服它,但沒想到這工作比想象中困難得多。

無窮無盡的計算讓我精疲力盡,而且無論怎么算,結(jié)果總跟第谷的資料不吻合。

你猜我和火星的戰(zhàn)爭持續(xù)了多久?三個月?一年?兩年?不,足足八年。經(jīng)過八年沒完沒了的冗長計算,我終于有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)——一千多年來,大家一直相信上帝創(chuàng)造宇宙會用完美的圓形軌道,但事實(shí)上火星的軌道是非常接近圓形的橢圓!

按照這個思路,我又驗(yàn)證了其他行星的運(yùn)行軌道,發(fā)現(xiàn)了兩條行星運(yùn)動定律——軌道定律和面積定律。我寫了一本新書《新天文學(xué)》介紹這個發(fā)現(xiàn),還因此登上了天文學(xué)周刊——遺憾的是得跟伽利略那家伙共享一個版面。

研究天文學(xué)的確讓人愉快,可惜我不能一直過安穩(wěn)的日子。教派的爭端讓德國陷入長達(dá)三十年的混亂,我的生活和大多數(shù)人一樣陷入了困境……

因?yàn)閾?dān)心戰(zhàn)亂,所以總得搬家——你知道天文學(xué)家搬一次家有多麻煩!

雖然我當(dāng)上了王家數(shù)理家,但國王從來不肯及時支付我薪水。為了維持生活……

老媽被控施展巫術(shù),為了不讓她被當(dāng)成女巫處以火刑,我想方設(shè)法為她辯護(hù)。

參加我親愛的太太和孩子們的葬禮——傳染病真的太可怕了。

即使是這樣,我也一直進(jìn)行著我的研究,用困境中的堅持顯示我對天文學(xué)最大的誠意。十年以后,我又發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的第三條定律也就是周期定律。現(xiàn)在我的定律完整了,不僅行星遵循它,就連行星的衛(wèi)星以及太陽周圍的其他天體也無一例外。我發(fā)現(xiàn)了一個有嚴(yán)密組織的天體系統(tǒng)——嗯,就是你們常說的太陽系。我的三條定律被稱為宇宙的法律,我本人則被稱為宇宙立法者——這個外號真適合我,對吧。

1630年,開普勒去德國宮廷討要薪水,結(jié)果很不幸地在半路感染傷寒病死了。六十多年以后,大科學(xué)家牛頓根據(jù)他的學(xué)說繼續(xù)深入研究,提出了舉世聞名的萬有引力定律。

開普勒就是牛頓所說的巨人當(dāng)中的一位,這一點(diǎn)毫無疑問。

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