《宇宙之问》开普勒三大定律是如何发现的?

约翰尼斯开普勒(1571—1630),德国著名天文学家,数学家。1571年12月27日生于魏尔,他一来到人世间就遭到了许多不幸,天花使他成为了麻子,猩红热弄坏了他的双眼。然而他并没有自暴自弃,反而以顽强的进取精神,努力学习,成绩一直名列前茅。

《宇宙之问》开普勒三大定律是如何发现的?

1587年他考入蒂宾根大学,攻读神学,靠符腾堡公爵提供的少量助学金寒窗苦读,于1591年获得神学硕士学位。

由于开普勒从小就体弱多病,他的父母认为他只适合做一名牧师,因为这个职业较为轻松。可是开普勒的数学才华非常出从,这决定了开普勒不会甘于平凡,他放弃了当牧师的想法,于1594年在奥地利路德教会学校当了一名数学教师。因信奉新教,1598年学校遭到天主教势力的驱逐。

1600年,开普勒贸然给素不相识的丹麦天文学家第谷写信,他把自己研究的天文学成果和想法告诉了第谷。第谷看后,对开普勒的才华惊叹不已,立即写信邀请他来当自己的助手。

开普勒来到第谷身边仅十个月,第谷在1601年10月与世长辞,他继承了第谷遗留下的20多年的天文观测资料,第谷生前再三叮嘱开普勒要继续他的工作,编制鲁道夫星表,并将其观测结果出版出来。

可是,开普勒把更多的注意力放在了改进和完善哥白尼的日心说上,主要是研究行星轨道的性质。开普勒发现第谷的观测数据与哥白尼体系、托勒密体系都不符合,他决心寻找这种不一致的原因和行星运行的真实轨道。

开普勒对第谷的资料进行了大量的研究,他发现第谷的资料中,其中火星的资料是最丰富的,他便决定先对火星的轨道进行更加深入研究,还有一方面原因是哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。

最初,开普勒用正圆编制火星的运行表,发现火星老是出轨,于是开普勒把正圆改为偏心圆,在进行了无数次尝试后,他找到了与事实较为符合的方案。惟一让开普勒感到不足的是,依照这个方法来预测行星的位置,却跟第谷的观测数据不符,产生了8分的误差,这8分的误差相当于秒针在0.02秒瞬间转过的角度,开普勒十分坚信第谷的实验数据是正确的,那么错误出在何处呢?

开普勒陷入了沉思,他的科学直觉告诉他火星的轨道并不是一个圆周,开普勒把火星的轨道确定为椭圆,把太阳放在椭圆的一个焦点上,这样做的结果是开普勒消除了8分的误差。

随后的日子里,他发现了地球的运行轨道和火星一样,都遵从这一规则,开普勒把这一规则称为第一条行星运动的定律。

开普勒第一定律认为:每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

接下来,开普勒继续对火星进行研究,他按照前人的思想,认为行星的运动是等速的,于是开普勒按照这一观念苦苦计算了一年,没有得到任何结果。

后来,他发现椭圆轨道上运行的行星速度不是常数,近太阳时快些,远太阳时慢些,并发现了火星至太阳的连线在一天内扫过的面积是相等的。

开普勒把这一发现推广到其它行星上,结果也与观测数据相符的很好,开普勒就此发现了行星运动的第二条定律。

开普勒第二定律认为:在相等时间内,太阳和运动行星的连线所扫过的面积都是相等的。

开普勒发现了两条行星运动定律,但他对于自己所取得的成果还不满足,他渴望找到一种能适合所有行星的总体模式,把各行星联系在一起,他坚信存在着一个把全体行星完整的联系在一起的简单法则。

经过9年的探索与数据分析,终于在1618年发现了第三条行星运动定律,太阳系内所有行星公转周期的平方同行星轨道半长径的立方之比为常数,正是这一定律把所有的行星都联系在了一起。

开普勒第三定律认为:各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

第谷发现了开普勒,开普勒继承了第谷的天文观测数据,才使开普勒发现了行星运动的三大定律。开普勒的三大定律支持了哥白尼的日心说,消除了本轮均轮复杂的行星体系,只用7个椭圆就解释了行星的运动。

宇宙是一个复杂的系统,但是它却遵循着简单的规律,凡是真的,可以解释事物本质的模型,都是简单的,清晰的。如果一种模型在实践过程中,产生的的问题比它所能解释的问题还要多,那么这种模型就是行不通的,不科学的,就像解释行星运动的本轮均轮模型。

原创文章,作者:阿峰,如若转载,请注明出处:http://51xz.net/661.html

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