開普勒和行星運(yùn)動

開普勒以“天空的立法者”聞名于世，他怎能為天空立法呢？原來是他發(fā)現(xiàn)了行星的運(yùn)動規(guī)律。

命運(yùn)似乎要捉弄一下這位“立法者”，使他一生貧病交加。而開普勒卻對命運(yùn)之神的嘲弄不屑一顧，死心塌地地認(rèn)定了天文學(xué)，盡管大學(xué)期間他讀的是文科。

開普勒開始熱心于哥白尼的學(xué)說，但并不迷信權(quán)威，而是長期堅(jiān)持天文觀察、記錄、思考，并仔細(xì)演算觀測所得數(shù)據(jù)。一段時(shí)間以后，他發(fā)現(xiàn)行星的運(yùn)動好像并不是規(guī)則的勻速圓周運(yùn)動。這一結(jié)論是根據(jù)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)得出的，他決心弄個(gè)究竟。

開普勒是公認(rèn)的數(shù)學(xué)天才。在解決行星軌道問題時(shí)，他首先想到是數(shù)學(xué)。而在這方面，古希臘人早就有過關(guān)于天體軌道正多面體的猜想。開普勒循著這個(gè)思路發(fā)現(xiàn)，在包容土星軌道的天球中內(nèi)接正六面體，木星的軌道恰好外切于這個(gè)六面體。其他的行星如土星、火星的軌道都具有類似的特點(diǎn)，只是內(nèi)接的多面體形狀不同罷了。他將這一思路充分展開，又進(jìn)一步加工整理后寫成《神秘的宇宙》一書。這本書雖然僅是對天文學(xué)的初探，略顯幼稚，卻展現(xiàn)了作者天文學(xué)方面的天賦和潛力。當(dāng)時(shí)著名的天文學(xué)家第谷看到了這一點(diǎn)，主動邀請這個(gè)年輕人做自己的助手。

《宇宙和諧論》

自從來到了第谷主持的布拉格天文臺之后，師徒二人相得益彰，共同開展了許多研究項(xiàng)目。可不久第谷便辭世了。所幸的是，第谷臨終向魯?shù)婪蚨劳扑]了開普勒，使他得以繼續(xù)在天文臺工作。開普勒在第谷奠定的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索行星的軌道。他漸漸發(fā)現(xiàn)，要測定行星的軌道只靠太陽和行星本身的位置是不夠的，有必要找到第三個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。他選定的這個(gè)點(diǎn)是火星，而火星的公轉(zhuǎn)周期為1.8年。開普勒根據(jù)對太陽與火星的位置變幻規(guī)律，運(yùn)用三角定點(diǎn)原理把地球的軌道勾勒了出來。接著他又借助關(guān)于地球的資料，描繪了其他行星包括火星的運(yùn)行狀況。開普勒在綜合分析了所有這些行星的軌道特點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，行星的運(yùn)行軌道不是正圓，而是橢圓形；其運(yùn)動速度也不是勻速，而是跟到太陽的距離有關(guān)。在他1609年出版的《新天文學(xué)》一書中給出了兩個(gè)行星運(yùn)行定律。

開普勒第一定律：所有的行星都分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽運(yùn)動，太陽在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這一定律指出了行星一切可能的位置，這些位置的集合便形成了其軌道線。開普勒第二定律：行星與太陽的連線在相等的時(shí)間里掃過相等的面積。該定律歸納了行星運(yùn)行中速率改變的規(guī)律。根據(jù)這一定律，我們可以測定各個(gè)時(shí)刻行星所處的確切位置。

開普勒于1619年又出版了《宇宙和諧論》，在書中他給出了第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它與太陽距離的立方成正比。

三大定律的完成，宣布了開普勒天文學(xué)體系的成熟，使人們對于行星的運(yùn)動規(guī)律有了一個(gè)較為全面的理解。他開創(chuàng)了天文學(xué)發(fā)展的新階段。