克卜勒在牛頓提出萬有引力之前,已經歸納出成熟的天體運動規律

2020-12-04 百家號

你相不相信,在牛頓提出萬有引力之前,就有人進行觀測和猜測,歸納出了至今仍然適用的天體運行的規律。這是怎麼一回事呢?之前小編為大家介紹了彗星這種看上去很不起眼的小天體,其實卻給咱們人類文明社會行為帶來很大的影響。那從科學上來講,這背後其實隱藏著太陽系的起源以及生命起源的奧秘。

另外一方面彗星在整個天文學發展過程當中的確是非常的特殊,在許多問題上其實都有它們的身影,包括現在對於系外行星和恆星系統起源及演化的研究當中。現在對彗星也是越來越關注了,而恰恰又是因為它們太小,所以感覺上是充滿著神秘的。包括我們今天所要講的這個話題也不得不提到彗星,彗星是一個很基礎的需要掌握的知識,他們在天上可以說是來也匆匆,去也匆匆。但事實上他們可不是跑跑龍套而已,我們在講到彗星引起恐慌裡面其實也提到這麼一句,就是說在地心說的模型當中,各個行星是在看不見的所謂的天橋上繞著地球在運動。

相對來說行星它是很有秩序的在運行,而彗星是有點搞事情的。所以後來偉大的天文學家第谷證明了彗星現象是發生在天上的,而不是一種大氣現象。這個非常重要,要知道迪古他是大名鼎鼎的丹麥天文學家。我們在地球上用肉眼就能夠看到的,月球表面最明顯的環形山就是用他的名字命名的。如果大家有興趣可以晚上出去看一看月亮,就在月亮的下方,也就是南方,不僅能看到環形山還能看到10到12條的豎紋,像橙子的肚臍。

在別人依然感到奇怪的時候,他卻已經是茅塞頓開了。彗星既然是星際空間的東西,而又可以毫不費力地穿行於那些看不見的天橋之間,那麼這些所謂的球體或許從根本上講就是不需要存在的。這裡其實就否定了之前被很多人認為是真理的一個模型,就是所謂的天橋,當時認為它是一個實體,這是一個非常關鍵的思想轉變。這個觀念對後來的克卜勒影響非常深刻,如果天橋是不存在的,那麼行星又是靠什麼來運動的呢?

為了做出一個合理的解釋,其實從這個時候開始,天文學家就不得不從運動學轉向了動力學的研究。宇宙模型從幾何學轉向了物理學,不管是地心說還是日心說,天文學家似乎一直是在不斷的畫著各種各樣或複雜或簡潔的圓圈。那個時候的天文學幾乎就是幾何學,如果看過哥白尼的天體運行論你就知道了。幾乎他都在講天球坐標系,以及如何測量等等。對關於太陽是宇宙的中心這種描述,幾乎就是找不到的。

說句題外話,迪古他是支持地心說的。在他的模型當中地球是宇宙的中心,周圍是太陽和月亮,而其他的五大行星是太陽的衛星,在太陽帶動下繞著地球旋轉。其實強行把地球看成中心的話,這個模型他也能奏效,只是非常的複雜而已。而這樣一來呢,其他行星它的確就是太陽的衛星,這麼說起來也符合實際的觀測情況。所以從這個局部來看他是正確的,很所以要不怎麼說他是觀測大師,他也是從觀測資料當中得到了這樣一種結論。

但是光有觀測還是不夠的,他還需要有一位懂理論的人來幫助他。很多朋友估計已經猜到了,那個人就是德國傑出的天文學家、物理學家也是數學家約翰尼斯克卜勒。1600年克卜勒來到了布拉赫的天文臺,那個時候迪古已經離開丹麥去往布拉格了。克卜勒在那裡對火星軌道研究了三個月,不過克卜勒從小視力不太好,所以他就沒辦法跟迪古一樣進行非常精密的觀測,只能從事理論。後來呢他也就成為迪古的助手和接班人,有人評價克卜勒所取得的成績,說因為它有三大法寶。

最關鍵的就是哥白尼的日心說,這是他重要的理論依據。不過克卜勒不是簡單的照搬照抄,或者說他也不是完完全全的學習。事實上克卜勒的理論還借鑑了託勒密的理論,所以說地心說當中也有值得吸取的精髓,畢竟相比更早的宇宙模型的新說,當時也已經算是個大進步。日心理論是克卜勒定律的一個核心。第二件法寶是英國人威廉吉爾伯特的磁學,他提出地球是個巨大的球形磁體,來解釋為什麼小磁針會指向北極,為什麼物體會掉落地面。克卜勒在此基礎上居然非常腦洞的認為行星繞著太陽公轉的軌道不是中心對稱的,或者說距離並不是處處相等的。所以這就存在兩種情況,要麼軌道不是正圓,要麼軌道是正圓,但太陽不在圓心。

因為只有這樣太陽與行星的軌道才會有一部分吸引而另一部分排斥。如此一來就能夠解釋行星為什麼一會兒走得快一會兒走得慢。當時他會覺得這是和磁鐵的效應相對,我們現在其實有的時候也會拿物體在電磁場中的運動軌跡來模擬引力場的情況,不過也只能是部分的模擬,畢竟兩者還是有非常大的差距。第三件法寶是什麼呢?就是迪古無與倫比的觀測記錄,當時迪古的觀測精度已經達到了的一度的60分之一,這已經是望遠鏡發明以前的最高水準了。有個好眼睛真的很重要,也是有了第一件和第二件法寶作為堅實的理論的基礎,於是觀測數據就體現出決定性的意義了。

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    作為普魯士皇帝的御用天文家,第谷在雄厚的支持下觀測和記錄了大量的天文數據,並出了一本書《魯道夫天文表》。當然,今天的重點並不第谷,而是他的助手——克卜勒。在第谷去世後,克卜勒整理研究了第谷手稿,提出了著名的克卜勒三定律。其中第一條就是:所有行星繞太陽的軌道都是橢圓。雖然知道這個事實,但是他卻始終不明所以。
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  • 高一物理教學教案:萬有引力定律
    教學建議   萬有引力定律的內容固然重要,讓學生了解發現萬有引力定律的過程更重要.建議教師在授課時,應提倡學生自學和查閱資料.教師應準備的資料應更廣更全面.通過讓學生閱讀「萬有引力定律的發現過程」,讓學生根據牛頓提出的幾個結果自己去猜測萬有引力與那些量有關.教師在授課時可以讓學生自學,也可由教師提出問題讓學生討論,也可由教師展示出克卜勒三定律和牛頓的一些故事引導學生討論
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  • 天體運行背後的規律到底是什麼?掌握了這個規律現在才有航天事業
    這一集我們就來回答這個問題,天體運行背後的規律到底是什麼?我們知道克卜勒發現橢圓軌道是在1609年,又過了七十多年,到了1687年,人類歷史上最偉大的科學家牛頓發表了物理學史上最重要的著作,名字叫《自然哲學的數學原理》。因為那個時候還沒有物理學這個詞,科學統稱為《自然哲學》。在這本書裡,牛頓用他自己發現的萬有引力定律和他自己發明的微積分證明了克卜勒的橢圓理論是正確的,這個微積分它只是個數學工具,我們重點要說的是這個萬有引力定律。