|
《魯?shù)婪蚨琅c開普勒談話》Julius Victor Berger 開普勒出生于一個(gè)貧窮家庭，童年經(jīng)歷了很多磨難。他的祖父西博爾德·開普勒（Sebald Kepler）曾經(jīng)是這個(gè)城鎮(zhèn)的市長(zhǎng)，但是約翰內(nèi)斯·開普勒出生時(shí)，開普勒家族的家業(yè)已經(jīng)開始衰落。他的父親海因里?！ら_普勒（Heinrich Kepler）為了營生，當(dāng)了一名危險(xiǎn)的雇傭兵，在約翰內(nèi)斯5 歲的時(shí)候就離開了家庭，據(jù)說后來死于荷蘭的八十年戰(zhàn)爭(zhēng)。他的母親開了一間小酒館與他相依為命，勉強(qiáng)維持著兩個(gè)人的生活。開普勒在很小的時(shí)候就接觸到并喜愛上了天文學(xué)，而這種喜愛貫穿了他的一生。在他6 歲時(shí)，他看到了1577年大彗星并寫道他“被媽媽帶到一處高地看彗星?！痹谒?span style="font-size: 15px;font-family: "Times New Roman";">9 歲時(shí)，他觀察到了另外一次天文事件——1580年的月食，并記錄到他記得他被“叫到門外”看月食，月亮“看起來非常紅”。然而，，開普勒得了危及生命的天花，對(duì)這個(gè)本來就艱難的家庭來說更是雪上加霜。這場(chǎng)大病，給開普勒的視力造成很大損傷，他的身體也顯得更加瘦弱了使他的視力衰弱，雙手殘疾，因此限制了他天文觀察的能力。但開普勒憑借著頑強(qiáng)、堅(jiān)毅的品格發(fā)奮讀書，贏得過符騰堡公爵提供的獎(jiǎng)學(xué)金，并以優(yōu)異成績(jī)進(jìn)入蒂賓根大學(xué)學(xué)習(xí)，他興趣廣泛，在諸多的興趣愛好之中主修了天文學(xué)和數(shù)學(xué)，并如饑似渴地閱讀著哥白尼的著作。1594年，開普勒到奧地利一所中學(xué)任教，并在1596年發(fā)表了著作《宇宙的奧秘》，當(dāng)時(shí)的很有名的丹麥天文學(xué)家第谷對(duì)開普勒的學(xué)術(shù)才華十分贊賞，并邀請(qǐng)他給自己作助手，雖然第谷幾十年如一日?qǐng)?jiān)持天文觀測(cè)，積累了大量天文資料，但第谷數(shù)學(xué)能相對(duì)較弱，希望能找一位擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)的助手幫助自己，而開普勒也知道要想把天文學(xué)理論完善，必須依靠第谷精密的觀測(cè)資料。兩人一拍即合，希望通過合作產(chǎn)生 1+1>2 的效果，于是，開普勒拜師第谷，來到了第谷身邊。然而，沒過多久，第谷就突然染病去世，并將他的畢生心血托付給開普勒，希望他用這些精密的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行的奧秘。開普勒不想辜負(fù)第谷的囑托，可他的研究過程卻非常艱辛，最終發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)行的三條規(guī)律，人稱 【開普勒三定律」。這三條規(guī)律，條條都是新發(fā)現(xiàn)的法則，所以人們贊美開普勒是「天空立法者】。開普勒的第一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)是，所有行星都在橢圓軌道上運(yùn)行，這之前2000多年時(shí)間里面，歐洲人都認(rèn)為行星的運(yùn)行軌道是一個(gè)圓。那么，怎樣去理解行星的橢圓運(yùn)行軌道呢？如圖所示，拿一支鉛筆、一塊軟木板、一張紙、兩個(gè)圖釘和一根繩子。把紙放在軟木板上，用圖釘把繩子的兩端固定在紙上，一定要讓繩子松弛一些。然后，用鉛筆拉緊繩子畫一條曲線，注意當(dāng)你移動(dòng)鉛筆時(shí)要讓繩子處于緊繃狀態(tài)。在鉛筆繞過兩個(gè)圖釘并回到起點(diǎn)后，得到的閉合曲線就是一個(gè)橢圓。在這里，圖釘?shù)奈恢闷鸬搅艘环N特殊的作用。開普勒把它們命名為橢圓的焦點(diǎn)，它們之于橢圓的意義就像圓心之于圓的意義。圓被定義為到一個(gè)定點(diǎn)（圓心）的距離等于定長(zhǎng)的所有點(diǎn)組成的圖形，同樣地，橢圓是指到兩個(gè)定點(diǎn)（焦點(diǎn)）的距離之和等于定長(zhǎng)的所有點(diǎn)組成的圖形。在繩子–圖釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)中，這個(gè)恒定的距離之和恰好是兩個(gè)圖釘之間的繩子長(zhǎng)度。開普勒第二定律，說的是當(dāng)行星沿軌道運(yùn)行時(shí)，從這顆行星到太陽的假想連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。
如圖，如果時(shí)間（P1→P2）等于時(shí)間（P3→P4），那么兩個(gè)扇形的面積相等。簡(jiǎn)言之，第二定律說明，行星并不以恒定的速度運(yùn)行。相反，離太陽越近，它們的運(yùn)行速度就越快?！霸谙嗟鹊臅r(shí)間內(nèi)矢徑掃過的面積相等”的陳述，可以使這個(gè)結(jié)論更加精確第三定律的要點(diǎn)很簡(jiǎn)單：一顆行星距離太陽越遠(yuǎn)，它的運(yùn)行速度就越慢，公轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。但這個(gè)定律有趣而微妙的地方就在于，軌道周期并不是簡(jiǎn)單地與軌道距離成正比，而是另人玄機(jī)。最終經(jīng)過測(cè)算，他發(fā)現(xiàn)行星公轉(zhuǎn)周期的平方與該行星到太陽的平均距離的立方成正比。也就是說，對(duì)所有行星而言，T2/a3的值都是相同的。在這里，T表示行星繞太陽一周的時(shí)間（地球是1年，火星是1.9年，木星是11.9年，等等），a表示該行星到太陽的距離。a的值不太好確定，因?yàn)殡S著行星在其橢圓軌道上運(yùn)行，它到太陽的實(shí)際距離每周都在變化；有時(shí)它離太陽較近，有時(shí)則離太陽較遠(yuǎn)?？紤]到這種影響，開普勒將a定義為行星到太陽的最近距離和最遠(yuǎn)距離的平均數(shù)。當(dāng)我們用上述的地球年和日地距離的百分率來表示T和a時(shí)，開普勒第三定律就可以簡(jiǎn)化為T2=a3開普勒除了觀察星象，尋找浩瀚天空中的秘密之外，還在其他多個(gè)學(xué)科有所貢獻(xiàn)，他在1611年出版了《光學(xué)》一書，最早建立了對(duì)于光線和光束的表示法，還曾經(jīng)在《葡萄酒桶的立體幾何》中對(duì)圓提出了三角形分割法。同時(shí)，他還對(duì)音樂與占星術(shù)有很深的造詣，他曾推崇一個(gè)柏拉圖的論斷：上帝就是幾何學(xué)，但是卻通過整個(gè)世界來表現(xiàn)。上帝讓星體連接成充滿生機(jī)的實(shí)體，用幾何形式構(gòu)建世界，然后通過聽得見的音樂表現(xiàn)一切基本事物。開普勒還公開號(hào)召音樂家們都應(yīng)該仰望星空，因?yàn)樗麄兡軌蛏钋蓄I(lǐng)悟到宇宙的和諧。雖然開普勒能夠給天空立法，一步一步揭開了宇宙運(yùn)行的規(guī)律，但在現(xiàn)實(shí)生活中卻依然是霉運(yùn)加身，不停地遭受打擊，他的兒子、妻子相繼得病去世，支持他的皇帝也被迫退位，進(jìn)而導(dǎo)致開普勒被拖欠工資與失業(yè)。明思宗崇禎三年，即1630年11月15日，科學(xué)天才開普勒在德國雷根斯堡一家客棧，拖著貧病交加的虛弱軀體，滿懷著被欠薪數(shù)月的憤怒無助，悲涼的病故在這寒冷的冬天，享年五十九歲！
|
