宇宙是否无限,我们至今不得而知,但天体运动其实也遵循某种规律,它们的发现可说石破天惊,从此激起人类探索宇宙的热情。最早发现天体运行规律的就是德国天文学家开普勒,他也因此博得“天空立法者”的美誉。
1571年,开普勒出生在德国的威尔德斯达特镇。12岁时,对神学没有任何兴趣的开普勒被送到修道院学习。17岁时进入杜宾根大学。在杜宾根大学学习期间,受天文学教授麦斯特林的影响,接受了哥白尼的日心说,并像伽利略一样,成为这一学说的热烈拥护者。
开普勒的一生充满了不幸,他幼年体弱多病,有一只半残的手,视力也很衰弱;中年时,他的妻子死了,儿子也染上重病,这一切遭遇使他终身贫困交加,不得不靠教书及占星算命维持生活,但是顽强的开普勒并没有被惨痛的命运压倒,他以惊人的毅力为人类做出了巨大的贡献。开普勒很早就注意到距离太阳近的行星走得快,而距离较远的行星走得慢些,由此,他想到行星的运行与太阳的距离有某种关系。凭着丰富的想象力和过人的数学才能,开普勒尝试着解释这些现象,并写了一本书——《神秘的宇宙》。当开普勒把这本书寄给丹麦天文学家第谷·布拉赫后,尽管第谷对开普勒的解释不赞同,但他还是一眼就看出开普勒是一个很有前途的天文学家,于是邀他前来自己所在的布拉格天文台工作。
开普勒与第谷一见如故,大有相见恨晚之感。但遗憾的是第二年第谷就去世了。不久圣罗马皇帝鲁道夫就委任开普勒为皇家数学家,成为第谷事业的继承人。
视力不是很好的开普勒,在观测的时候遇到了很多的困难,但还是在1604年9月30日发现了在蛇夫座附近出现一颗新星。这颗新星后来被称为“开普勒新星”。3年后,他还发现了闻名世界的哈雷彗星。
开普勒是一个善于分析材料的人,他一生的工作,大部分时间都是在分析第谷遗留下来的观测资料。他在研究火星公转的时候发现,各种计算方法算出来的结果都与第谷的观测资料不相吻合。经过仔细分析,他提出一个大胆的设想:火星可能不是人们认为的匀速圆周运动,而是椭圆形的,太阳处于椭圆形中的一个焦点位置。这就是后来的行星运动第一定律。
发现了火星的运行轨道是椭圆后,他又把目光转移到了火星的运行速度上。起初,开普勒认为火星运行以相同的速率运行,可不久发现了一个问题:计算结果得出的火星位置与老师第谷观察的数据有8分弧度的差距。8分的弧度相当于火星0.02秒瞬间转过的角度。开普勒没有放过这一微小的出入,经过反复核算,8分弧度的差距依然存在。开普勒深信,老师第谷是一位对工作一丝不苟的人,他的观察数据应该经得起考验,如果与实际有出入,在反复的比较中,老师不可能没发现。由此,他想到在不同点的速率可能不同,最终得出开普勒第二定律:行星与太阳的边线在相等时间里扫过的面积相等。
1612年,罗马皇帝鲁道夫二世被迫退位,开普勒也失去了保护人,因此他不得不离开布拉格,前往奥地利林茨。但这并没有影响他对行星运动的研究,他乘胜追击,此后不久便发现了行星运动的第三条定律:“行星公转周期的平方正比于轨道半长轴的立方。”并于1619年发表在《宇宙和谐论》中。
行星运动三大定律的发现是人类第一次为天体运动立法,标志着人类对天文的研究迈出了历史性突破,它的发现不仅为经典天文学奠定了基石,也为数十年后牛顿万有引力定律的发现打下了基础。
除天文学外,开普勒对光学也作了长期的研究,并取得了丰硕的成果,1604年发表《对威蒂略的补充——天文光学说明》以及1611年出版《光学》等都是此领域的经典之作。在光学的研究中,开普勒发现阳光穿过大气的时候也会发生折射,总结出了近似折射定律的折射规律,并且正确地解释月全食时月亮出现红色现象的原因——由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上形成的。此外,开普勒还把伽利略望远镜中的凹透镜目镜改换成小凸透镜,从而大大改进了望远镜的观测效果。
1630年,开普勒在巴伐利亚州雷根斯堡市去去世。在数十年的战争中,他的坟墓早已被毁弃。但是他“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。
本视频主要介绍了万有引力的开端,地心说、日心说、开普勒三定律的代表人物,他们的理念对万有引力与航天发展的影响。尤其是开普勒三定律对后续万有引力的学习有着至关重要的作用。