人类近代前期的科学——开普勒的三大定律

17世纪初期，正当伽利略使哥白尼学说声威大振之时，欧洲大地上传出了一条特大新闻：德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动的三大定律，使哥白尼创立的日心说，从科学上向前前进了一步。开普勒于1571年12月27日生于德国符腾堡的小城魏尔。幼年时，由于家境贫寒，他一直靠奖学金上学。后来，开普勒进人图宾根神学院后，在老师迈克尔的指导下，开始研究哥白尼的天文学。1594年，开普勒成为奥地利格拉茨新教神学院的数学教师。在这一时期，开普勒孜孜不倦地研究天文学的三个问题，即“行星轨道的数目、大小与运动。”

1595年，他终于得到了伟大的发现：“可用地球来量度所有其他轨道。”他马上着手阐明这一想法，写成了《宇宙的奥秘》初稿。为了出版这本书，他费尽心机。于是他求救于他的老师。在老师的帮助下，他这本书终于在1596年面世了，并载入法兰克福书目之中，但署的名却是“勒普劳斯”。1598年，由于弗迪南德反对新教教师，开普勒被迫辞去教职。祸不单行，他的小女儿也不幸夭折。开普勒处于极度的悲愤痛苦之中，于是他只身来到布拉格。

1600年，开普勒在布拉格结识了天文学家第谷·布拉赫。这是开普勒一生中最关键的时刻.正是第谷·布拉赫，使开普勒走出逆境，在科学上矗立起一座丰碑。由于第谷如此之重要，这里不得不介绍一下第谷的生平。第谷于1546年生于丹麦斯科纳的一个贵族家庭。13岁时随叔父到哥本哈根，1562年，他又来到莱比锡。这两个城市的学习为第谷在天文学上的成就打下了牢固的基础。第谷被称为是近代天文学的始祖，他的最大贡献是1572年12月11日发现了仙后星座中的一颗新星，并于1573年发表了题为《新星》的重要科学论文。

为了完成庞大的天体观测计划，第谷把丹麦国王赠与他的全部补助金，在费恩岛上建立了有名的福堡天文观象台。该观象台规模宏大，仪器齐全。这些仪器都是第谷自己设计制造的，有木制的、铁制的和铜制的。其中最大的是一台精度较高的象限仪，称为第谷象限仪。由于第谷不断改进仪器的设计和测量的方法，他所进行的大量的天体方位的测量，其精确度是比较高的，一般能达到半弧分。第谷在弗恩岛上一直工作了20年之久，除了天体方位的测量外，还发现了许多新的现象，如黄赤交角的变化、月球的运行的二均差，以及岁差的测定等。

1597年，第谷离开丹麦到汉堡。1599年定居布拉格，并将弗恩岛上的仪器运到布拉格。1600年，第谷与开普勒会面.从此二人合作开始了新的工作计划。开普勒与第谷的会面，乃是欧洲科学史上最重大的事件，这两位个性殊异人物的相会，标志着近代自然科学两大基础——经验观察和数学理论的有机结合。也正是这次会合，使开普勒奠定了天体力学的基础和发现行星运动的三大定律。

1601年，第谷在短期重病后突然离开了人世。第谷临终前对开普勒说：“我一生都在观察星表，我要得到一种准确的星表，我的目标是1000颗星，⋯⋯我希望你能把我的工作继续下去。我把我的一切资料全部交给你，愿你把我观察的结果发表出来，你不会使我失望吧！”开普勒含泪站在第谷的病床前，沉痛地说：“放心吧，我的老师，我会的！”

开普勒没有使第谷失望，1627年，《鲁道尔夫星行表》便在乌尔姆出版，第谷的名字永远地载入科学史册。第谷死后，开普勒运用他的大量的观测资料进行细心地研究。当时，不论是地心说，还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒经过深思熟虑，终于否定了这种长期以来的观点。他发现火星的轨道是椭圆形的，于是得出开普勒第一定律，即椭圆轨道定律：“火星沿椭圆轨道绕太阳运行，而太阳则处于两焦点之一的位置。”随着火星椭圆形轨道的发现，火星运动的计算也全面展开。开普勒经过计算，又得出了开普勒第二定律，即相等面积定律：“火星运动的速度是不均匀的，当它离太阳较近时，运动得较快；反之，则较慢。

但从任何一点开始，向经（太阳中心到行星中心的连线）在相等时间内，所扫过的面积是全部相等的。”1609年，开普勒的关于火星运动的著作《新天文学》出版。该书还指出两定律，同样适用于其他行星和月球的运动。这本著作是现代天文学的奠基石。

但开普勒的著作遭到许多人的轻视和误解，开普勒把一切希望都寄托在国外一个追求真理的人身上，这个人的评价是至关重要的。他就是帕多瓦大学的教授枷利略。伽利略没有使开普勒失望，他把开普勒视为是哥白尼宇宙体系的信徒和保卫者，认为开普勒是“探寻真理的一位朋友”。1619年，正当世界历史迈出不可抗拒的一步的时候，科学也向前推进了一个阶段。宗教战争一直持续着，科学和神学的斗争从未停止过纷争。也正是这年，开普勒著成了《宇宙和谐论》。这部著作凝聚着他10多年的心血，以及长期繁杂的计算和无数次失败。它不仅是第一次系统地论述了近代科学的法则，而且也完成了古典科学的复兴。它标志着欧洲天文学的发展，已达到了新的科学高峰。在这本著作中，开普勒提出了他的第三定律，即调和或周期定律：

“开普勒创立的行星运动的三大定律，使天文学进入到一个新的阶段，为牛顿发现万有引力定律打下了基础。