第四篇 克卜勒三大定理的產生

2020-12-04 一眼回眸S

公元1601年,秋,克卜勒的老師快要去世了,他叫來最看重的助手。

「老師,我來了。你怎麼了,怎麼突然一下就……」克卜勒說著,已經是泣不成聲了。

第古輕輕地擺了一下左手,示意克卜勒別哭,聽他說話,克卜勒強忍住抽泣,注視著第古。

「我這輩子幹了不少荒唐的事情,」第古指著自己緩緩地說道,努力的裝出笑容,「但是也作出了一些成績,此生也算沒有虛度了。」

「您可是這個時代最傑出的天文學家,誰在天文學上的貢獻能和您相比,您要好好的。」克卜勒擔心的道。

「你別說了,聽我說。我的身體我知道,但是我有一最大的遺憾,我想也只有你能完成了。阿基米德和哥白尼他們都錯了,只有我是對的,但是我已經無法完成所有的公式了,我想在就將我所有的數據資料交給你。」

「可是那不是您最寶貴的嗎?你還可以自己完成的。」

「我都快走了,只有你能完成我的遺志,也請原諒我的自私,以前總是不給你看這些資料。我相信你,你是我見過天賦最好的,數學天賦也無人能及,我堅信你不會埋沒這資料。你把他拿回去吧!」第古說完,就指了指書桌上的一打資料。

克卜勒含著淚水,點頭答應著:「老師你放心吧,我一定完成你的遺願。」

那天晚上,第古安詳地離開了人世,他把自己畢生心血凝結成的幾大麻袋資料都交給了克卜勒。那麼,第古到底是什麼人?他的資料又為何如此珍貴呢?

第谷是最後一位也是最偉大的一位用肉眼觀測的天文學家。谷早在十三歲時就進入哥本哈根大學學習法律和哲學。他原來打算研究神學,但在1560年他觀察了日食,於是轉向研究天文學和數學。後來他到德國受到進一步的培養和教育。1576年丹麥國王腓特烈二世將汶島賜予他作為新天文臺臺址,並許諾他一筆生活費。於是,第谷在丹麥與瑞典間的汶島開始建立「觀天堡」。這是世界上最早的大型天文臺,在這裡設置了四個觀象臺、一個圖書館、一個實驗室和一個印刷廠,配備了齊全的儀器,耗資黃金1噸多。

克卜勒是農村的貧苦人,第谷逝世後,克卜勒接替了他的工作,並繼承了他的宮廷數學家的職務。第谷的大量極為精確的天文觀測資料,為克卜勒的工作創造了條件。

第谷是一位傑出的觀測家,但他的宇宙觀卻是錯誤的。第谷本人不接受任何地動的思想。他認為所有行星都繞太陽運動,而太陽率領眾行星繞地球運動。他的體系是屬於地心說的,這一體系十七世紀初傳入我國後曾一度被接受。

克卜勒認為通過對第谷的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說正確的:哥白尼日心說,古老的託勒密地心說,或許是第谷本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算,克卜勒發現第谷的觀察與這三種學說都不符合,他的希望破滅了。

克卜勒對此運動性質的研究,我們可以看到萬有引力定律已見雛形。克卜勒在萬有引力的證明中已經證到:如果行星的軌跡是圓形,則符合萬有引力定律。而如果軌道是橢圓形,克卜勒並未證明出來。牛頓後來用很複雜的微積分和幾何方法證出。

1609年,克卜勒發現了行星運動的奧秘。從1601開始,8年的時間,克卜勒第一、二定律誕生了。

克卜勒第一定律是一個使用微分方程的推導公式,我在這裡就不寫了。

克卜勒二定律是基於第一定律基礎上的,在相等時間內,太陽和運動中的行星的連線(向量半徑)所掃過的面積都是相等的。即A的面積相等。

此時的克卜勒才38歲,他的腳步穩定不會停下來,但是不幸的是德國當時陷入了戰爭,沒有了薪水,他養不起12個孩子,還一方面為了救行巫術而被捕母親,生活上太多的事情摧垮了克卜勒。1630年 1630年他有幾個月未得薪俸,不得不親自前往正在舉行帝國會議的雷根斯堡索取。到達那裡後他突然發熱,幾天以後即11月15日,在貧病交困中寂然死去,終年59歲。他被葬於拉提斯本的聖彼得教堂三十年戰爭的狂潮蕩平了他的墳墓,但是也已證明他的行星運動定律是一座比任何石碑都更為久佇長存的紀念碑。

一連串的生活變故接踵而至,讓克卜勒疲於奔命,但他心中那團天文學的熱情之火卻從未熄滅,一有時間,他就會拿起紙筆,開始演算。在遭受了不計其數的失敗之後,皇天終於不負有心人。1619年,行星運動的第三個定律被克卜勒奇蹟般地發現。說它是奇蹟,在我看來,一點兒都不誇張,因為第一和第二定律看上去並不是怎麼驚世駭俗,還是比較好理解的。但是這個第三定律卻不一樣,它的內容就足以讓人大為驚詫。我真是忍不住地就要驚嘆,克卜勒到底是怎麼發現的?從成千上萬的數據中找到這樣的一個規律,除了要勤奮之外,絕對還需要一些神奇的第六感之類的天賦異稟。讓我們來看看第三定律的內容:

行星繞太陽公轉周期的平方與軌道橢圓長半軸的立方成正比,注意,這裡面的公轉周期是一個時間單位,而長半軸則是一個距離單位。

克卜勒定律是一個普適定律,適用於一切二體問題。克卜勒定律不僅適用於太陽系,他對具有中心天體的引力系統(如行星-衛星系統)和雙星系統都成立。圍繞同一個中心天體運動的幾個天體,它們軌道半徑三次方與周期的平方的比值(R^3/T^2)都相等,為(GM/4π^2),為中心天體質量。這個比值是一個與行星無關的常量,只與中心體質量有關,那麼M相同是這個比值相同。

是不是很不好理解,那就對了。

但是依然有兩個重要的問題擺在所有理性的人們面前。

第一, 太陽是宇宙的中心的證據在哪裡?從哥白尼到克卜勒,他們的理論到底只是一種數學技巧還是客觀真相?《聖經》錯了嗎?光是講道理不行,科學需要的是證據。

第二, 為什麼行星的軌道是一個橢圓?為什麼公轉周期與距離有種神秘的數學關係?人與動物的區別就在於人會追問為什麼,一層層地追問,永不停止。

隨後,兩天天才相繼登場一個回答了第一個問題,另一個回答了第二個問題。

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