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第谷的精密观测数据与托勒密的地心说不合，与哥白尼的日心说也不合。 可是问题出在哪儿呢？开普勒支持科学规律应该是简洁和谐的观点，坚信日心说是正确的。于是，他开始在哥白尼日心说的基础上用数学方法归纳整理数据，寻找隐藏在其中的规律。 ○开普勒（Johannes Kepler）  面对浩瀚的观察资料，1000多颗行星资料，他先从哪颗行星下手？直觉告诉他应该选问题较突出的行星。这是很重要的选择！直接进入矛盾中心。 于是，他选择了火星。因为火星的观察资料最丰富，还有就是哥白尼日心说理论在火星轨道上误差最大的。 开普勒用哥白尼的正圆形轨道，将连续的观测数据填入火星运行表中。结果火星总是出轨——不在圆形轨道上。 多次试验后，开普勒将正圆改为偏心圆。这样就与事实比较符合了。他心想，行星轨道就是偏心圆这样的规律了。但是，按照偏心圆的轨道，与第谷的数据还有8弧分的误差。开普勒坚信第谷观测数据的精确性，其误差一定小于2弧分，所以说偏心圆的轨道还存在问题！ 难道火星轨道不是圆形的？偏心圆也不对？ 于是，开普勒根据精确的天文观测数据计算行星运动轨迹，而不是在先验模型基础上拟合修补。数学功底很强的开普勒，利用第谷丰富的火星观测资料，以各种几何图线去反复拟合，终于发现火星轨道是一个椭圆，而太阳位于其中一个焦点上，这个规律后来被称为开普勒第一定律。 开普勒经过多次（计算）试验，最终，不得不将火星的圆轨道确定为椭圆，与实验数据吻合得很好，误差在2弧分以内。接着，他用椭圆轨道核实地球一些数据，测出地球的轨道也是椭圆的。于是，确定了行星的轨道一定是椭圆形状。 天体运动不完美了吗？天体必须是完美的圆周运动与事实不符合了？！古希腊数学家阿波罗尼斯早在他的《圆锥曲线论》中有详细的论述。实际上，太阳系中的所有行星的轨道都是椭圆！火星轨道的偏心率较大，容易看出是椭圆；水星、金星、地球的轨道的偏心率较小，就像是圆形嘛！所以托勒密的圆形轨道加上偏心的修正，完全能够应付当时还不太精密的观测。椭圆轨道是普遍的，圆形是其特例。 ○开普勒第一定律：行星围绕太阳运行的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上 天文资料还显示出：火星速度不是均匀的，火星近日点速度快，远日点速度慢。 有了椭圆轨道的概念，研究椭圆曲线的性质，开普勒就想到太阳在椭圆的一个焦点上时，行星的速度很可能与行星和太阳的距离有关。经过反复和第谷的观测数据比较，在椭圆轨道上运行的行星速度不是常数，确实在离太阳远时慢，离太阳近时快。寻找其规律，开普勒最终得到了行星和太阳的直线在相等的时间内扫过的面积相等，这个规律后来被称为开普勒第二定律。这也打破了行星运动必为匀速的传统观点。 ○开普勒第二定律：行星在轨道上移动的时间相同，行星与太阳的连线移动前后扫过的扇形面积总是相等 经过近6年的研究，与实验数据反复比较，解释更多现象，揭示新的现象，开普勒确定了他的研究结果。于1609年发表了《新天文学》，公布了开普勒第一、第二定律，也称行星运动第一、第二定律。 |
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