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在科学史上不乏一些很矛盾的人存在，他们一方面发展了科学，另一方面却又是旧理论甚至是迷信的拥趸。比如化学家拉瓦锡，一方面他发现了氧气的存在，另一方面他又拒不承认氧气，坚信燃素论。我们前两期讲的第谷也是这样的一个人，一方面他观测了行星的运行轨迹，掌握了大量的第一手的材料，另一方面，他又拒不承认哥白尼的日心说，他在日心说和地心说中间搞了个折衷主义。今天我们要说的这位，也存在这样的问题，正好，他还是第谷的学生--德国天文学家、物理学家--开普勒。  约翰尼斯·开普勒 约翰尼斯·开普勒于1571年出生在符腾堡的威尔德斯达特镇。1589年，开普勒进入图宾根神学院学习，在那里，在他的老师迈斯特林的帮助下，开普勒皈依到了哥白尼学说的门下。但是在另一方面，开普勒毕生都是一个占星术的信仰者，他经常用占星术为别人算命，甚至到他晚年，他还因为占星术而与神圣罗马帝国的元帅华伦斯坦结缘。这让伽利略感到十分不解：一个独立思考的杰出人士居然会相信占星术的鬼话。而拉普拉斯则说他是如此痛苦地看到这样一个伟人陷入到了怪诞思辨中去了。1596年，开普勒的第一部著作《宇宙的神秘》出版了，虽然在书中，开普勒的观点是完全错误的，但是在这些错误的背后，却是开普勒的数学才华和富有创建性的思维，正因为此，开普勒获得了第谷的赏识。第谷邀请开普勒去天文台当自己的助手，开普勒接受了这一邀请，于1600年加入了第谷的团队，然而到了第二年，第谷就去世了。开普勒虽然和第谷相处的时间不多，但是在这段不长的时间内，开普勒赢得了人们的信任，在第谷去世后，罗马皇帝就任命他接替第谷，担任皇家数学家，开普勒的余生就一直在那里任职。 作为望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家，第谷给开普勒留下了多年对行星进行仔细观察所做的大量记录。开普勒决定对这些观测记录进行研究，以便确定到底哪个行星运动学说是正确的：哥白尼的日心说、托勒密的地心说或者第谷的折衷说。但是经过多年的艰苦卓绝的数学计算，开普勒发现第谷的观测记录与那三种学说都不相符。完蛋了，此路不通，他的希望破灭了。然而山重水复疑无路，当开普勒陷入绝望中时，也正是柳暗花明又一村之时，开普勒最终意识到他和哥白尼、第谷等经典天文学家一样，都假定行星轨道是由圆或复合圆组成的。但是实际上行星轨道不是圆形而是椭圆形。 在找到问题的根本之后，开普勒又开始了另一段复杂而冗长的数学计算，以证实他的学说与第谷的观察相符合。1609年，开普勒发表了的伟大的天文学著作《新天文学》，在书中他提出了他的前两个行星运动定律。行星运动第一定律，也叫轨道定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动。太阳的位置不在轨道中心，而在轨道的两个焦点之一。行星运动第二定律，也叫面积定律：在同样的时间里，行星向径在其轨道平面上所扫过的面积相等。在第二定律中，开普勒虽然摒弃行星等速度运动的偏见，但仍维护这一原则，只是把线速度相等换了个"面速度"相等。有了这个定律，可以计算任何时刻行星在轨道上的位置。这两个重要的定律相继发现后，编制星表一事便轻而易举了。不仅"行踪诡秘"的火星永远逃不出星表的"囚笼"，驯服地沿开普勒给定的椭圆轨道运行，其余各个行星也都相继"被俘"。开普勒并不满足已取得的成就，他感到自己远远没有揭开行星运动的全部奥秘。他相信还存在着一个把全部行星系统连成一个整体的完整定律。然而，这次的成功来的很晚。十年后开普勒终于发表了他的行星运动第三定律：行星距离太阳越远，它的运转周期越长；运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。开普勒三大定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题。牛顿曾说过："如果说我比别人看得远些的话，是因为我站在巨人的肩膀上。"虽然牛顿在说这句话的时候，本意是用来讽刺胡克长得比较矮小的，但是毫无疑问的，开普勒也的确是他所指的巨人之一。  开普勒三大定律 开普勒定律在天文学上有十分重大的意义： 首先，开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。在开普勒之前，人们对天体遵循完美的均匀圆周运动这一观念，从未有人敢怀疑。开普勒却毅然否定了它。这是个非常大胆的创见。 其次，开普勒定律彻底摧毁了托勒密的本轮系，把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来，为它带来充分的完整和严谨。开普勒找到了最简单的世界体系，只用七个椭圆说就全部解决了。从此，不需再借助任何本轮和偏心圆就能简单而精确地推算行星的运动。 第三，开普勒定律使人们对行星运动的认识得到明晰概念。它证明行星世界是一个匀称的（即开普勒所说的"和谐"）系统。这个系统的中心天体是太阳，太阳位于每个行星轨道的焦点之一。行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离，与质量无关。 除了发现行星运动定律外，开普勒在天文学上还有别的贡献。1627年，他刊布了最后杰作--《路德福星表》。这是天文史上值得称赞的一部星表，它的完备和准确度远胜过前人。在以后的百余年间，该表一直被天文学家和航海家们奉为至宝。 1630年由于好几个月的薪俸都没领到，他不得不亲自前往正在举行帝国会议的雷根斯堡索取。到达那里后他突然发热，几天以后，在贫病交困中寂然死去，终年59岁。开普勒被葬于拉提斯本的圣彼得教堂，三十年战争的狂潮荡平了他的坟墓，但是也已证明他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为久伫长存的纪念碑。 |
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