开普勒的科技成果

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-01

开普勒最主要的贡献是在天文学方面。

如果说伽利略发现了新宇宙,那么开普勒则为星空制定了法律。开普勒没有如希腊和之后的很多人一样,来解释行星为什么运动,而是另辟蹊径,研究行星是怎样运动的。当然了,这使他获得了巨大的成功。

开普勒

开普勒

他发现了行星运动的三大定律,史称“开普勒三定律”,这使他为世界所熟知。这三大定律是稍后天文学家根据他的著作《新天文学》《世界的和谐》《哥白尼天文学概要》萃取而成的三条定律。这些杰作对艾萨克·牛顿影响极大,启发牛顿后来发现万有引力定律。

约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler,1571—1630),德国天文学家、数学家。他生于德国南部瓦尔城的一个贫民家庭,父亲是职业军人,母亲是旅馆主人的女儿,祖父曾当过市长。开普勒小时候得过天花和猩红热,使得手、眼等落下了轻度残疾。

开普勒年轻时在图宾根大学学习,求学期间,他显示出了出众的数学才华,这为以后他发现宇宙运动定律打下了基础。在大学里,他受到蒂宾根大学天文学教授迈克尔·马斯特林(Michael Maestlin)的影响而信奉哥白尼的学说,成为哥白尼的拥护者。毕业后他来到了奥地利,在格拉茨大学任数学和天文学讲师。其后,开普勒离开神学院前往布拉格,与第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1544—1604)一起从事天文观测。在奥地利期间他致力于探测六大行星轨道大小之间的关系,围绕这个问题展开了多方面的研究。1596年,开普勒把他的所有研究成果及构想写在《宇宙的奥秘》一书中,在书中他试图把柏拉图关于固体天体的思想与哥白尼体系调和在一起。当时,丹麦物理学家第谷·布拉赫正在为没人替自己整理未发表的天文观测数据而发愁,当他看到开普勒的《宇宙的奥秘》,为书中展现出的数学天赋所吸引。于是,1600年第谷邀请开普勒到布拉格观察台工作,当他的助手(图3.4)。但是,两人的共事并不愉快,开普勒觉得第谷并没有对自己公开观测成果,因此常常威胁要离开。最后,第谷只得把他关于火星的观测资料交给了开普勒。第谷的资料非常丰富,但是他太不善于使用自己的资料,这些资料直到开普勒的手里才体现出它真正的价值。从此,开普勒就开始了长达8年的研究,在研究中,其数学天赋发挥了极其重要的作用。正是因为这8年对第谷火星观测资料的研究和自己对其他星体运动的观察,才促使开普勒最终发现了行星运动规律。在最后,开普勒得到结论: 行星的轨迹不可能是圆的。但是,第谷并没有看到开普勒的研究成果,1601年,第谷因为膀胱破裂去世。

在捷克布拉格的第谷和开普勒纪念像

在捷克布拉格的第谷和开普勒纪念像

1609年,开普勒在《新天文学》(Astronomia Nova,又名《论火星的运动》)中发表了自己的研究成果,提出了行星运动定律的前两个定律(轨道定律和面积定律)。1611年,开普勒的保护人鲁道夫被其弟逼迫退位,他仍被新皇帝留任。他不忍与故主分别,继续随侍左右。1612年鲁道夫卒,开普勒接受了奥地利的林茨当局的聘请,去作数学教师和地图编制工作。在这里他继续探索各行星轨道之间的几何关系,经过长期繁杂的数学计算和无数次失败,最后创立了行星运动的第三定律(周期定律,又名谐和定律)。1619年,他在《世界的和谐》(Harmonices Mundi,又名《宇宙谐和论》)一书中发表了他的第三定律。

开普勒的三大定律的内容如下。

第一定律: 行星围绕太阳运动的轨道是椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上(轨道定律)。

第二定律: 对任何一个行星,当它围绕太阳旋转时,它和太阳连线在相等的时间内总是扫过相等的面积(面积定律)。

第三定律: 每个行星的椭圆轨道的半长轴的立方跟它围绕太阳旋转的周期的平方成正比(周期定律,又名谐和定律),即

QQ截图20181101171402

开普勒以椭圆代替正圆在宇宙学史上是划时代的事件。爱因斯坦对此给予了深刻的评价,他说: “开普勒的惊人成就,是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子,这条真理是: 知识不能单从经验中得出,而只能从理智的发现同观察到的事实两者的比较中得出。”

后来,伽利略通过望远镜第一次观察到木星的四颗卫星时,发现它们按照同样的原理围绕木星运动,许多年以后,人们发现聚星体系也同样符合开普勒三大定律。越来越多的发现证明了一个事实: 所有的天体运动都是遵循开普勒三大定律的。

开普勒取得了巨大的成功,但是和很多科学家一样,他在他生活的那个时代过得并不如意。他生活困苦,经济上经常处于绝望的境地,他和两个妻子共生有12个小孩,大多在贫困中夭折。他作为新教徒常受到天主教会的迫害,他的一些著作被教皇列为禁书。经济困苦和操劳跋涉严重损害了开普勒的健康。当时的皇帝也并不怎么欣赏开普勒,即使在较兴隆的时期都是怏怏不乐地支付薪水。在战乱时期,开普勒的薪水被一拖再拖,得不到及时的支付。1630年他有几个月未得薪俸,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,他在贫病交困中寂然死去,终年59岁。他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,但是业已证明他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为永驻长存的纪念碑。他的发现也为后来牛顿发现万有引力打下了基础。

摘自《科技史与方法论》清华出版社授权登载

荐书:一本书”看透“科技史丨科技史与方法论


扫码加蝌蚪五线谱微信