开普勒三定律的发现过程

开普勒三定律的发现过程

生活在地球上的人类，不能感觉地球的运动，却能直接看到日月星辰绕地球旋转，因此，很容易误认为地球是静止不动地居于宇宙的中心，于是地心说应运而生。公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）提出整个宇宙是一个多层水晶球，地球位于水晶球的中心，恒星、行星、太阳和月亮都在各自的轨道上围绕地球旋转。这是历史上最早的地心说，后经过古希腊天文学家托勒密（公元90—168年）在二世纪中叶加以系统化之后，曾风靡世界达一千五百年之久。这一现象主要是因为这种说法与当时教会的教义吻合，得到了教会的大力支持。

托勒密首先将希腊和罗马的天文学做总结，并写了一本有名的《大综合论》，这一本书可说是古今天文之大成，书中不仅说明了所有天文学的知识，也大大的宣扬了著名的《天动说》，这个理论认为，所有的天体都在〝本轮环〞上绕著地球公转，一圈一圈往外，有时为了修正星体的运动，必须在本轮环上再加本轮环，这样一来天体的运动就会变得很复杂，对于精度不高的古代，这样做当然有其好处，只不过到了后来，天文观测仪器的改进终于使《天动说》寿终正寝。但是，由于中世纪教会的影响《大综合论》成为中世纪的天文典，而天动说也藉此支配中世纪的欧洲达一千多年之久。

中世纪的欧洲由于教会的压迫，自然科学的进展不大，因此这个时期的天文学重心便集中在阿拉伯。中世纪天文学最主要的成就是岁差的测定和历法的修正，在当时甚至已经有光学的研究出现。这些阿拉伯天文学的成就，为波兰伟大的天文学家哥白尼的新体系奠定了基础.而哥白尼的名著《天体运行论》的出版正揭示了科学革命的到来。

哥白尼的天体运行论一书出版后日心学说就像涟漪一样地向外传布。哥白尼之后，意大利学者布鲁诺（Giordano Bruno）进一步认为，太阳只是无数恒星中的一颗，仅是太阳系的中心，而不是宇宙的中心，这一认识使哥白尼日心说得到了进一步发展。由于日心说危及到当时罗马教会的思想统治，反动教会对布鲁诺恨之入骨，用种种恐怖手段逼迫布鲁诺放弃日心说，布鲁诺宁死不屈，最后被活活烧死。

1609年，意大利著名物理学家、天文学家伽利略（Galileo）用望远镜巡视星空，获得了一系列的重要发现——银河是由无数单个的恒星组成的，木星有4颗卫星，金星有圆缺变化，这些观测事实有力地支持了日心说。教会非常恐慌，将伽利略传到罗马的宗教法庭受审，并宣判他有罪，直到300多年后的1984年，这一冤案才得以昭雪。

尽管罗马教廷对宣传、支持日心说的科学家加以重重迫害，然而经过开普勒（Johannes Kepler）、伽利略和牛顿（Isaac Newton）等人的工作，哥白尼的学说不断获得胜利和发展。后来的许多发现使地球绕太阳转动的学说得到了举世公认的证明。特别是1846年，人们根据日心说理论的计算而准确地发现了海王星，哥白尼的日心说终于得到了完全的证实。加上1781年天王星的发现，1930年冥王星的发现，日心说在对地心说的斗争中最终取得了彻底

的胜利。

如果我们把今天源源不绝的科学成果比喻成自来水，那么哥白尼就可以说是一位装设水管的工人，而把这个水龙头扭开的人则是牛顿，但是其中有一些非常重要的人，他们告诉牛顿水龙头在哪里。这些人把水龙头的位置告诉牛顿，牛顿把水龙头扭开，于是，科学的成果便一直不断的产生，这个水龙头的流水不虞匮乏，因为它直接与真理的海洋相连。

在哥白尼之后，出现了一位天文学史上举足轻重的天文观察家，也就是第谷。他在其一生中以当代最最精确的精度观测了天空中的行星，其精确程度可说是达到了肉眼的极限。他对天文学最重要的贡献就是他穷毕生精力所累积的观测资料，这些资料在他死后由他的学生开普勒继承，而开普勒也因为第谷的资料而发现了行星运动定律。其次，第谷是一个地心说的拥护者，为了使地心说不至于完全溃败，他也提出了一种介于日心说和地心说之间的行星运动体系，可惜的是他没有成功，因为日心说毕竟“较符合”实际的情况。在他一生观测生涯当中，他也记录、发现了以前所未见的天象，如历史上著名的〝第谷之星〞就是一颗爆发的超新星。这一个超新星的记录使得人们意识到，天空中的恒星并不是一成不变的，因此人类对于天堂的梦想有点幻灭。另外，他还发现了月球运动中的“二均差”，这是一个预测月球运动的修正项。为了观测的方便，他本身也是一位天文仪器制造家，他的仪器使得当时的观测精度达到肉眼的颠峰，只有望远镜才能超越它。

说到第谷，就不能不谈一谈开普勒了。他和第谷是师生关系，也是第谷最得力的助手。约翰·开普勒（Johannes Kepler,1571-1630），德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。

开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。开普勒之所以留名青史的原因，是因为他发现了著名的《开普勒行星运动三大定律》，这些定律是在没有光学仪器的时代中，最后的重大发现。

在他继承了第谷的事业后，他对第谷留下来的资料进行计算。对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中，火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。起先他仍按照传统观念，假设行星进行的是匀速圆周运动，但是用正圆编制火星的运行表，火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后，他找到了与事实较为符合的方案。可是，依照这个方法来预测卫星的位置，却跟第谷的数据不符，产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针0.02秒瞬间转过的角度。这样子的误差在很多人眼里可能微不足道，但开普勒绝对的相信他老师所遗留的观测资料，于是他决定不用圆轨道来计算行星位置，而改用其他的圆锥曲线。在进行了多次实验后，开普勒将火星轨道确定为椭圆，并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆，断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关，使计算值与观测值有了相当好的吻合。按开普勒的说法〝就凭这8'的差异，引起了天文学全部的革命〞。

而将其总结，就是开普勒第一运动定律：

1．行星轨道为椭圆，太阳在其任一焦点上。