開普勒和他的行星定律

紅馬童書

天文學(xué)的歷史非常悠久，生活在兩千多年以前的人們就對掛在天上的太陽、月亮和星星充滿了好奇。在確定它們不會(huì)輕易掉下來砸到腦袋以后，大家開始觀察它們的位置和出現(xiàn)的時(shí)間，研究它們跟季節(jié)、潮汐的關(guān)系。

那時(shí)，天文學(xué)還有一個(gè)頂重要的作用是占星。人們相信天象的變化和人間即將發(fā)生的大事件有關(guān)，可以預(yù)測戰(zhàn)爭的勝負(fù)、、國家的興亡或者……自己的運(yùn)氣。這聽起來挺不靠譜，不過因?yàn)檎夹切枰^測天象，所以的確對天文學(xué)的發(fā)展有幫助。

如果說正兒八經(jīng)的天文學(xué)知識(shí)，古時(shí)候西方最主流的是古希臘大學(xué)者亞里士多德提出的地心說。他認(rèn)為地球是宇宙的中心，其他的一切包括太陽、月亮和五大行星都圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。（注：那時(shí)靠肉眼能觀測到的行星只有金星、木星、水星、火星和土星這五顆。）它們之所以會(huì)轉(zhuǎn)，是因?yàn)橛幸环N神秘的力量在推動(dòng)，而發(fā)出這種持續(xù)推動(dòng)力的……咳咳……就是神。

別笑，那時(shí)候幾乎所有人都相信神的力量，所以大家覺得亞里土多德的見解高明極了。

住在亞歷山大城的古埃及學(xué)者托勒密和亞里士多德的看法差不多。他認(rèn)為地球靜止不動(dòng)地待在宇宙正中心，太陽、月亮和五大行星沿著完美的圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。在它們的軌道以外，有個(gè)晶瑩的天層，那里就是各位神靈的家。

在漫長的一千五百年里，西方人對地心說深信不疑。16世紀(jì)初，波蘭天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過幾十年的觀測和研究，發(fā)現(xiàn)地心說其實(shí)大錯(cuò)特錯(cuò)。他認(rèn)為處于宇宙中心的不是地球而是太陽，地球和別的行星都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，只有月亮繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，日月星辰每天東升西落是因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)。

哥白尼的發(fā)現(xiàn)非常偉大，但狂熱的宗教信仰者們認(rèn)為他冒犯了上帝，于是起勁兒反對。哥白尼還算運(yùn)氣好，至少?zèng)]有被殺掉，他的支持者布魯諾則被燒死在羅馬的鮮花廣場上。雖然追求真理的道路很慘烈，但總有那么一些不怕死的家伙。我們今天要認(rèn)識(shí)的，就是繼承了哥白尼學(xué)說的德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒（1571年-1630年）。

真幸運(yùn)，開普勒沒被燒死，還發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)三大定律。他的定律讓地心說徹底垮臺(tái)，也讓行星復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)變得不再神秘。下面就是這位先生的故事，你會(huì)看到他波折的一生以及探索真理的勇氣和毅力，還會(huì)了解到一些有關(guān)他的小秘密，比如……

天文學(xué)家需要大量觀測，偏偏他的視力很差。

他不愛刮胡子也不愛剪頭發(fā)，形象超邋遢。

他雖然曾經(jīng)在宮廷任職，但一直是個(gè)窮光蛋。

他最愛的讀物是《天體運(yùn)行論》，你猜作者是誰？

開普勒開獎(jiǎng)啦不要輕易評價(jià)不了解的事

我家在德國南部的瓦爾，老爸是個(gè)粗俗的職業(yè)傭兵。他常常跟隨部隊(duì)到處打仗，有一次離開了家就再也沒回來。從那以后，老媽的脾氣變得很古怪一其實(shí)她本來就夠古怪的了。有人說她會(huì)施展巫術(shù)，還有人說她是個(gè)女巫。她有一個(gè)沒有窗戶的小房間，里面充滿霉味和灰塵，每件家具的歷史都超過一百年。她常把自己關(guān)在里面，“嘰里咕嚕”地念咒語，還會(huì)用各種草藥調(diào)配神秘的藥水。

女巫并不是合法職業(yè)，為了養(yǎng)家，老媽還經(jīng)營著一家小酒館。我從小就在酒館里幫忙，盡管這份工作對我來說并不適合。我小時(shí)候得過天花和猩紅熱，雖然死里逃生，但一只手的手指變得很不靈活，視力也受到了影響，臉上還留下了很多大麻點(diǎn)兒——你瞧我這運(yùn)氣！

你瞧，讓未來的天文學(xué)家一天到晚在酒館里挨酒鬼的打是不是太過分了。不過說真的，那時(shí)我可沒想過以后研究天文學(xué)，我的目標(biāo)是繼承小酒館或者當(dāng)個(gè)神父。

十幾歲時(shí)，我進(jìn)入瓦爾的一家拉丁語學(xué)校讀書，至于學(xué)習(xí)內(nèi)容嘛，大部分都是頂沒勁的宗教典籍。幾年后，我得到一筆獎(jiǎng)學(xué)金，進(jìn)入圖賓根大學(xué)學(xué)習(xí)神學(xué)和數(shù)學(xué)。在我的年代，天文學(xué)被當(dāng)成數(shù)學(xué)的一部分，所以我也學(xué)到了一些天文學(xué)知識(shí)。

天文學(xué)教授馬斯特林在課堂上講授地心說，但下課以后常常滿懷熱情地介紹哥白尼和日心說。

開頭我也覺得日心說荒謬極了，然而事實(shí)告訴我不要輕易評價(jià)我所不了解的事，因?yàn)槟侵荒茱@示出自己的無知。當(dāng)我弄清楚日心說理論以后，我迷上了天文學(xué)，變成了哥白尼最堅(jiān)定的支持者。

我不會(huì)硬要做自己不擅長的工作

1391年，我從圖賓根大學(xué)畢業(yè)，得到了一個(gè)碩士學(xué)位以及這樣一份評語。

我的同學(xué)紛紛被推薦當(dāng)了神父，而我沒有得到任何工作。后來，奧地利的格拉茨神學(xué)院出現(xiàn)了一個(gè)數(shù)學(xué)教師的空缺，在馬斯特林教授的幫助下，我拿到了聘書。

除了上課，我還有很多空閑時(shí)間，于是我決定像哥白尼一樣研究宇宙的奧秘，成為一名天文學(xué)家。觀測和記錄是天文學(xué)家最重要的工作，但是你也聽說了，我的視力不好，所以我打算用數(shù)學(xué)方法來解釋其他天文學(xué)家的觀測數(shù)據(jù)——硬要做自己不擅長的工作才是笨蛋咧，視力這種事是硬傷，又不是努力就能改變的。

你知道，數(shù)學(xué)計(jì)算非?？菰?，而且需要集中注意力。我試過幾天幾夜不睡覺，也試過把身邊的一切都忘掉。因?yàn)閷Y(jié)果太期待，所以整個(gè)過程變得非常有趣。不過，我的學(xué)生和同事恐怕不這么想，他們對我來不及修剪的胡子和頭發(fā)很有意見。

我按照計(jì)算結(jié)果制作了一個(gè)宇宙模型，并把這一切寫成一本書，書名是《宇宙的神秘》——聽起來還不錯(cuò)對吧。也許你認(rèn)識(shí)一個(gè)叫伽利略的人，他是和我同時(shí)代的意大利科學(xué)家，剛好也在研究宇宙問題。他寫過一封信給我……

因?yàn)椤案绨啄帷焙汀叭招恼f”都是敏感詞，所以他在信里用了暗號(hào)。我把新出版的《宇宙的神秘》寄給他，并告訴他我正在研究行星的運(yùn)行軌道。遺憾的是，他似乎并不感興趣。

可怕的是連重新開始都沒有勇氣

1598年，奧地利爆發(fā)了激烈的宗教沖突，同樣信仰上帝的天主教徒和新教徒大打出手。為了躲避戰(zhàn)亂，我離開了奧地利——你瞧，我失業(yè)了。不過這時(shí)候，一位大人物給我提供了一個(gè)很棒的工作機(jī)會(huì)。

看到那個(gè)名字了嗎？大名鼎鼎的第谷·布拉赫！他是丹麥王室天文學(xué)家，丹麥國王腓特烈二世曾經(jīng)為他建了一座頂先進(jìn)的天文臺(tái)，他擁有最豐富的觀測資料。

對于第谷先生的邀請，我當(dāng)然一口答應(yīng)，于是我們在1600年開始了合作。第谷先生以觀測精密著稱，而我則擅長分析數(shù)據(jù)，我們剛好互補(bǔ)，相處非常愉快。不幸的是，一年以后第谷先生竟然病死了，這對我來說簡直是比失戀還沉重的打擊。我接替了他的工作，還得到了他的觀測資料——你知道那一共有多少嗎？

我把這些觀測資料整理好，并用它們進(jìn)行復(fù)雜又煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，希望找到行星的運(yùn)行規(guī)律。幾年以后，我終于得出了最后的計(jì)算結(jié)果，但我吃驚地發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果跟我設(shè)計(jì)的那個(gè)宇宙模型并不吻合。也就是說，我引以為傲的宇宙模型是錯(cuò)的，我一直以來的研究也是錯(cuò)的——這可真令人沮喪啊。

我打算放棄——我是說放棄那個(gè)模型，而不是我的興趣。一切從頭開始并不可怕，可怕的是連重新開始都沒有勇氣。

我打贏了和戰(zhàn)神馬爾斯的持久戰(zhàn)

我打起精神繼續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)無論是托勒密的地心說、哥白尼的日心說還是第谷先生本人提出的折中學(xué)說，沒有一種符合觀測資料的計(jì)算結(jié)果。第谷先生是全世界最準(zhǔn)確的觀察家，他的記錄不可能出錯(cuò)。我打算用火星當(dāng)例子，弄清問題到底出在哪兒。至于為什么選火星，那是因?yàn)樵诘诠认壬馁Y料里，火星篇幅最多。而且，火星是紅色的，被稱為戰(zhàn)神瑪爾斯，這名字聽起來就很有斗志，不是嗎？

我和瑪爾斯的戰(zhàn)爭開始了。本來我以為很快就能征服它，但沒想到這工作比想象中困難得多。

無窮無盡的計(jì)算讓我精疲力盡，而且無論怎么算，結(jié)果總跟第谷的資料不吻合。

你猜我和火星的戰(zhàn)爭持續(xù)了多久？三個(gè)月？一年？兩年？不，足足八年。經(jīng)過八年沒完沒了的冗長計(jì)算，我終于有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)——一千多年來，大家一直相信上帝創(chuàng)造宇宙會(huì)用完美的圓形軌道，但事實(shí)上火星的軌道是非常接近圓形的橢圓！

按照這個(gè)思路，我又驗(yàn)證了其他行星的運(yùn)行軌道，發(fā)現(xiàn)了兩條行星運(yùn)動(dòng)定律——軌道定律和面積定律。我寫了一本新書《新天文學(xué)》介紹這個(gè)發(fā)現(xiàn)，還因此登上了天文學(xué)周刊——遺憾的是得跟伽利略那家伙共享一個(gè)版面。

研究天文學(xué)的確讓人愉快，可惜我不能一直過安穩(wěn)的日子。教派的爭端讓德國陷入長達(dá)三十年的混亂，我的生活和大多數(shù)人一樣陷入了困境……

因?yàn)閾?dān)心戰(zhàn)亂，所以總得搬家——你知道天文學(xué)家搬一次家有多麻煩！

雖然我當(dāng)上了王家數(shù)理家，但國王從來不肯及時(shí)支付我薪水。為了維持生活……

老媽被控施展巫術(shù)，為了不讓她被當(dāng)成女巫處以火刑，我想方設(shè)法為她辯護(hù)。

參加我親愛的太太和孩子們的葬禮——傳染病真的太可怕了。

即使是這樣，我也一直進(jìn)行著我的研究，用困境中的堅(jiān)持顯示我對天文學(xué)最大的誠意。十年以后，我又發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的第三條定律也就是周期定律?，F(xiàn)在我的定律完整了，不僅行星遵循它，就連行星的衛(wèi)星以及太陽周圍的其他天體也無一例外。我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有嚴(yán)密組織的天體系統(tǒng)——嗯，就是你們常說的太陽系。我的三條定律被稱為宇宙的法律，我本人則被稱為宇宙立法者——這個(gè)外號(hào)真適合我，對吧。

1630年，開普勒去德國宮廷討要薪水，結(jié)果很不幸地在半路感染傷寒病死了。六十多年以后，大科學(xué)家牛頓根據(jù)他的學(xué)說繼續(xù)深入研究，提出了舉世聞名的萬有引力定律。

開普勒就是牛頓所說的巨人當(dāng)中的一位，這一點(diǎn)毫無疑問。