他定下的規則,漫天星星都要臣服,他就是「天空立法者」克卜勒

2020-12-05 科學背後的故事

在偉大的哲學家康德的墓碑上,鐫刻著這樣一段銘文:"有兩種東西,我們愈是時常愈加反覆地思索,它們就愈是給人的心靈灌注了時時翻新, 有加無已的讚嘆和敬畏 ——頭頂的星空和心中的道德法則"。

由此可以看出,哲學大師對星空的敬畏。其實不止康德,自從人類誕生之日起,就對星空充滿了好奇,無數至聖先哲都對星空做出了自己的猜想,這其中有中國古老的蓋天說,也有託勒密的地心說,這個時候的人類有點過於傲慢,認為我們居住的大地就是宇宙的中心,諸天星辰都在圍繞我們轉動,直到哥白尼的"日心說"才打碎了這種傲慢,但是增加了更多的迷茫,既然大地和星星一樣平凡,那麼他們遵循什麼樣的規律呢?

這就需要偉大的克卜勒來回答了。

1、 奇葩師徒

要說克卜勒,必須要說到他的老師第谷,這對師徒都是奇葩,而且完全相反。

第谷世襲貴族,出身高貴,克卜勒母親則熱衷巫術,為人不齒;第谷天生土豪,花金子都論噸,這不是玩笑啊,他建天文臺確實花了一噸多黃金,克卜勒窮困潦倒,孩子都養活不起,最後死在了討薪的路上;第谷愛情至上,娶了一個農家女,為此和貴族家庭斷絕了關係,克卜勒攀龍附鳳,嫁給了一個名門寡婦;第穀神目如電,可能是有史以來視力最好的人,不過不擅於思考,克卜勒則視力不佳,卻喜歡奇思妙想。

就是這麼兩個完全相反的人,卻走到了一起,開創了天文學的新時代。

1596年,克卜勒寫了一本書叫做《宇宙的奧秘》,這本書在科學史上影響巨大,不是指的學術價值啊,這本書純粹就是克卜勒的胡思亂想,毫無學術價值,不過克卜勒把這本書寄給了歐洲的各位學術大咖,這其中就包括伽利略和第谷。

伽利略收到書之後,產生了對天文學的興趣,成為了一代大師,第谷收到書之後,覺得這個年輕人孺子可教,準備傳之於衣缽。克卜勒這一本書啟發了一位大師,還造就了自己,作用還不大嘛。

也怪不得第谷求賢若渴,作為望遠鏡發明以前的最傑出的星空觀測者,他擁有最詳盡的星空資料,可是他卻無法整理出一套理論來解釋他的資料。

為什麼會這樣呢?因為他雖然是最偉大的星空觀測者,卻不擅長理論思考,這個時候他必須需要一個學生來繼承衣缽。

對於這麼一個千載難逢的好機會,克卜勒當然是要抓住了,起初師徒兩人合作愉快,可是好景不長,克卜勒家的名門寡婦不樂意了,她鼓動克卜勒和第谷決裂,讓克卜勒自立門戶。

其實真的很難理解克卜勒這位名門寡婦的心思。要是說她攀龍附鳳吧,那麼在當時歐洲恐怕還沒有比第谷更合適的人,各國國王貴族都把第谷奉為上賓,因為第谷是佔星術大師啊,這個很好理解,天上的星星屬他最清楚,當然佔星術他說了算了,她又為什麼讓克卜勒和第谷決裂呢?

要說她不想讓克卜勒依附第谷,做一個自力更生的男子漢吧。可她應該調動自己家的資源來支持克卜勒啊,可是她也沒有。

可是更搞不懂的是克卜勒,他居然聽信了名門寡婦的話,想想也有道理,克卜勒在家裡沒有地位,老婆的話當然就是聖旨了,克卜勒打算和第谷決裂了。他開始四處散布第谷的謠言,而且寫了一封措辭激烈的信就不辭而別了。

這也是第谷這時候年事已高,已經不是當年的衝動少年。當年第谷可是敢拔劍決鬥的古惑仔,他的鼻子就是因為決鬥被人家削掉的,後來第谷做了一個假鼻子,何況當時第谷地位尊崇,隨便說兩句話,就可以改變克卜勒一生。

第谷愛才心切,寫信請克卜勒回來,克卜勒也很快幡然悔悟,給第谷寫信道歉,師徒兩人和好如初,不過,第谷並沒有接受克卜勒的道歉,並不是第谷心高氣傲,而是第谷認為這只是年輕人一時衝動,不值一提,並不值得道歉。

但是師徒兩人的緣分卻沒有多久了。不久,第谷就在一場宴會後身亡,原因有點奇葩。宴會之上,高朋滿座,自是酒到杯乾,不過,喝多了,難免會想去廁所方便一下,這對於任何人都很正常,但是對於第谷來說有點難堪,作為貴族,第谷覺得宴會中離席去廁所有點不合禮儀,所以就一直憋著,結果就憋死了。

第谷去世後,謠言四起,甚至有人說是克卜勒謀害了第谷,原因就是為了霸佔第谷的天文臺,但是克卜勒卻沒有在意,因為對老師最好的紀念就是完成他未竟的事業。

二、火星的麻煩

第谷生前曾對克卜勒說過"除了火星所給與你的麻煩之外,其他一切麻煩都沒有了。火星我也要交託於你,它是夠一個人麻煩的。"

為什麼第谷如此看重火星,火星又有什麼麻煩呢?

在群星之中,並不是火星軌道最神秘莫測,而是火星的觀測數據最豐富,這樣就和地心說日心說的理論推導差別也最大,第谷也感覺到了不管是地心說還是日心說可能都是錯的,這是最基本的科學精神,因為觀測是不可能錯的,第谷也因此創造了自己的學說,不過他自己的學說也不能完全解釋火星的軌道觀測數據。

這些學說中哪個才是正確的呢?這就要靠克卜勒來驗證了。

地心說第一個出局了,日心說呢?也有些問題,那麼第谷自己的理論呢?這個理論更亂,問題出在了哪裡了呢?

問題就出在了最基本的假設上,無論託勒密還是哥白尼,包括第谷,都認為行星的軌道是圓形的,而且做勻速圓周運動,這個假設就是錯的。

經過四年的磨礪,克卜勒發現火星的軌道並不是圓形,而是橢圓,太陽就位於橢圓的一個焦點上,這就是克卜勒行星第一定律。

克卜勒行星第一定律指出,行星運行軌道由完美的圓變成了不太完美的橢圓,這是對地心說的又一次打擊。

而且火星也沒有做勻速運動,而是在近日點運行速度快,遠日點速度慢,但是在相同時間內掃過的面積是相等的,這就是克卜勒行星第二定律。

通過克卜勒行星第二定律,克卜勒為不太完美的橢圓軌道找到了完美的數學解釋,觀感上的完美從來都不是真正的完美,只有數學上的完美才是真正的完美。

得到兩個定律之後,火星的麻煩解決了,克卜勒完成了老師的囑託,但是他並沒有止步,因為他感覺到在星空中還隱藏著一條定律。

三、天空立法者

克卜勒感覺行星的運行周期應該和軌道之間有某種關聯,可是並不知道行星軌道的具體數據,克卜勒想了一個巧妙的辦法,他把地球和太陽的平均距離作為一個距離單位來計算各個行星軌道的半徑,同時把地球的公轉周期作為時間單位來計算行星的公轉周期,那麼就得到了下面這張表。

那麼行星公轉的周期和半徑又有什麼關係呢?又經過了近十年的思考,克卜勒終於發現了它們之間的奧秘。

克卜勒發現周期的平方和半徑的立方是相等的,這就是克卜勒第三定律,就如同下表一樣。

至此,克卜勒已經勘破了星空的奧秘,從一個星空觀察者成為了"天空立法者"。

克卜勒達到了當時人類的巔峰,可是這並沒有改變他窘迫的生活,他的保護人魯道夫被逼退位,雖然新皇帝願意繼續留任克卜勒,但克卜勒寧願繼續跟隨魯道夫二世,於是克卜勒從御用數學家又變成了中學教師,生活又一如以往,其實在擔任御用科學家的時候,他的薪水也只有當初第谷的一半,而且還經常拖欠。

屋漏偏遭連夜雨,他的名門寡婦已經離世,他和一個貧家女再婚,他的孩子也大多因為貧困夭折,而他的母親因為巫術被捕,可謂雪上加霜,克卜勒又要花費大量時間與精力去拯救母親,以免老人受到拷打。

本來克卜勒還可以通過佔星術補貼家用,可是他的研究也宣告了佔星術的破產。

第谷是首屈一指的佔星家,依靠佔星術,第谷和貴族們保持了良好的關係。克卜勒也寫過關於佔星術的書,雖然他並不相信這一套,但是以此讓達官貴人為他們的無知而付出一些代價也無可厚非,但之前星星出現的位置是觀測到的,還可以說預示著某個人的命運,可現在星星的位置居然可以計算了,還怎麼預示人的命運呢?總不能說人的命運都可以被克卜勒計算出來吧。

雖然如此,但是克卜勒還是沒有忘記老師的囑託,第谷一生最大的願望就是編撰一個星表,把漫天星辰收納於指掌之間,現在克卜勒手中不但有最豐富的觀測資料,也有日月星辰的運行之規,使得編撰星表成為可能。

但是編撰星表還需要一個重要條件,那就是錢,第谷已逝,他們師徒共同的保護人魯道夫二世也已經退位,而他自己,連基本生活都難以為繼,誰還承擔出版的費用呢?

所幸威尼斯政府承擔了大部分費用,但是其餘部分仍需要他自行籌集,當時克卜勒正處於內憂外困之中,基本生活都難以為繼,最後由皇家財政機關補貼,星表才艱難刊行,為了紀念他和老師共同的保護人,星表被命名為《魯道夫星表》。

《魯道夫星表》是那個時代最重要的天文成果,包羅萬象,精確非常,真正做到了納須彌於芥子,直到18世紀中葉都是天文學的圭臬。

出版了星表之後,克卜勒也支撐不下去了,1630年,他來到雷根斯堡來討要他的欠薪,不幸染病身亡。

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