開普勒探究天體運行的規律

最初人們認為地球是宇宙的中心，日月星辰都是圍繞著地球運轉的。16世紀哥白尼提出的“日心說”標志著在人類探究天體運行規律的道路上邁出了革命性的一步。然而受當時歐洲流行的哲學思想的影響，哥白尼認為行星是沿著圓形軌道圍繞太陽運動的。半個世紀之后，德國天文學家開普勒才對哥白尼學說的這一錯誤觀點進行了糾正。

開普勒

1571年開普勒生于德國南部的一個小鎮威爾，中學畢業后進入了蒂賓根學院。在那里，他接受了一位名叫麥斯特林的教授的觀點。麥斯特林是一個秘密的哥白尼主義者，他時常為開普勒詳細講述行星繞太陽運行方面的知識，使他漸漸成了“日心說”的擁護者。

從蒂賓根學院畢業后，開普勒移居奧地利的格拉茨城，在那里，他教授數學和天文學。他曾寄給第谷一本自己寫的天文書，第谷看后非常重視，邀請他一起從事研究工作。1601年，第谷去世后，開普勒利用老師留下的大量觀測資料，繼續研究火星的運動。

勻速圓周運動是按照傳統哲學定義的最為完美和理想的運動。開普勒根據這一點來計算火星在其軌道上的運動位置，經過多次反復計算，其結果總是與第谷的觀測結果不一致。開普勒深知第谷一絲不茍的態度，所以，老師的觀測數據必定沒有問題，誤差肯定在于自己的計算方式和過程。他決心找出誤差產生的真正原因。

開普勒堅持不懈地潛心分析研究，終于覺察到火星并不是按圓形軌道運行的，這與哥白尼所持的觀點相矛盾。他耐心、仔細地研究了火星在天球上年復一年的運動，終于發現了自己計算中的錯誤。原來，行星在太陽附近空間里運行的軌道是橢圓形而非圓形，事實上，圓形只是橢圓形的一個特例。太陽實際上位于橢圓即行星運行軌道的一個焦點上，所以行星在繞太陽作橢圓形運動的軌跡中，存在著離太陽近時的遠焦點和離太陽遠時的近焦點。這一重要發現是由開普勒首出來的，這也是他研究火星的第一個重要發現。后來人們用“開普勒行星運動第一定律”這個名稱來稱呼開普勒的這個重要發現。

第谷·布拉赫的天文臺

作為開普勒的老師，第谷是望遠鏡發明以前最偉大的天文學家。他在丹麥國王腓特烈二世所賜予的文島上建立天文臺，以精確地觀察星際，所用觀察工具是金屬六分儀和四分儀。

開普勒受到新發現的巨大鼓舞，開始編制火星運行表，但火星的運行總是和他設計的表格有偏差。經過大約一年的辛勤分析研究工作，他發現了自己計算方法上存在著不可忽略的錯誤。開普勒最初以為火星的運行是勻速的，因而造成了運算上的錯誤，而際上火星運行是不勻速的。火星的速度隨其離太陽距離的遠近而發生變化，離太陽近時，運行的速度就快，而隨著它在軌道上離太陽越來越遠時，其運行速度便隨之減慢。

行星沿橢圓軌道運行的速度受行星與太陽之間的距離遠近的影響，并隨之發生變化；行星和太陽的連線是行星的向徑，它在相等的時間內掃過相等的面積。行星運動的速度通過這一規律得到了說明，這就是著名的“運動第二定律”。此后不久，根據這一發現，開普勒完成了行星運行表的編制工作，工作進行得順利而迅速。

開普勒于1609年出版了他的《火星之論述》，緊接著，他又對行星公轉周期與行星到太陽距離的關系進行了探索。結果發現，離太陽最近的水星，88天繞太陽一周；離太陽遠一些的金星公轉一周所用的時間長一些；離太陽更遠的火星的一年比地球的一年還約長一倍。根據這些發現，開普勒在1619年出版了《宇宙和諧論》一書，并在書中發表了行星運動的第三定律。這一定律的發現和應用，完全改變了當時天文計算的方式和過程，并沿用至今。