自然科学史论文

从开普勒在天文学上的经历了解科学家出成果的艰难
【摘要】开普勒在天文学上的成就有目共睹，他所提出的开普勒三大定律一直是天文学上的一座丰碑。

而开普勒发现这样的一个定律也是十分不容易的。

首先，他获得了第谷的研究数据从而才能够发现问题。

尽管他解决了两个难题，但他的成果却不为人所理解。

多年后他的结果才被承认。

但他在那段成果不被承认的岁月里却经历了许多磨难。

甚至死后，连墓都毁在了战争中。

从中我们不难看出科学家们做科学研究是如何的艰难，而想要出一个骄人的令所有人都承认的成果则是难上加难。

或许科学精神是对他们最好的赞美。

【关键字】开普勒独创性艰难史科学精神
1引言
我们知道，太阳是太阳系的中心，而太阳系在银河系中也只不过是一个不起眼的小星域罢了，和整个宇宙根本不存在可比性。

但是，千百年来，人们从来没有停止过对于宇宙的探索。

随着科技的发展，人们对于太空的人生也逐步加深。

从“天圆地方”到“地球是一个球体”，从“地心说”再到“日心说”以及人类在外太空事业上取得的各种重大突破，这不仅仅给我们展示了一个神奇的宇宙的一角的同时也给我们留下了更多的难题。

现在我们可以发射卫星，载人运上外太空，用电磁波传递信息等等，科学技术带给了我们极大的便利。

但是，在几百年前，人类的科技并没有多大先进，而在数学上也尚未完美，那么那个时候的天体学家又是如何获得数据，分析数据，从而得出类似于“太阳是宇宙的中心”等的伟大的结论的呢？
开普勒在这方面做出的贡献无疑是十分巨大的。

他的成就是得到了全人类的认可的。

从他的研究入手，或许我们可以发现一些那时候的天体学家的小秘密。

2 开普勒做的工作
2.1数据的获得
要想了解一颗天体的运动是十分困难的，尤其是在以前那个科学技术并不是十分发达的时代，观测天体的轨道是十分困难的一件事情。

所以对开普勒来说获得准确的统计资料是首要的难题，尽管开普勒在第谷死后获得了其留下的十分详尽的资料，但这些材料却不能很好的支持地心说、日心说以及第谷本人自己的猜想。

所以尽量准确的数据是开普勒率先需要攻克的。

而开普勒获得数据的方式真可谓是巧夺天工，直至今日都是为人们所津津乐道的。

其实，开普勒所用的方法就是简单的三角测量法。

开普勒以火星作为基线结合大地测量工作中常用的方法测量出了地球一年内不同时刻对于太阳的距离。

这可以说是历史性的。

2.2数学处理
虽然已经获得了极为准确的数据，但是想要得到行星运动的正确轨迹却并不容易。

开普勒首先需要了解行星轨道所描出的曲线的几何特征是什么？为此，他必须先作某种假设，然后把它用到一大堆数字上去试试，看它是否能同第谷的数据吻合。

如果不是，再找另外的假设进行探索，直到合乎观测事实为止。

开普勒的目光首先盯住火星。

这是因为第谷的数据中对火星的观测占有最大篇幅。

恰好，就是这个行星的运行与哥白尼理论出入最大。

开普勒按照传统的偏心圆来探求火星的轨道。

他作了大量尝试，每次都要进行艰巨的计算。

在大约进行了70次的试探之后，开普勒才算找到一个与事实相当符合的方案。

使他感到惊愕的是，当超出他所用数据的范围继续试探时，他又发现与第谷的其他数据不符。

火星还是不听他的摆布。

开普勒计算出来的火星位置和第谷数据之间相差8分，即1.133度（这个角度相当于
表上的秒针在0.02秒瞬间转过的角度）。

开普勒完全信赖第谷观测的辛勤与精密，即使是这样微小的数值，第谷也是不会弄错的。

当开普勒意识到始终无法找出一个符合第谷观测数据的圆形轨道后，他就大胆摒弃这种古老的、曾寄希望的匀速圆周运动的偏见，尝试用别的几何曲线来表示所观测到的火星的运动。

开普勒以几何学的手段得出这样的猜想：
（一）所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动。

太阳的位置不在轨道中心，而在轨道的两个焦点之一。

这是行星运动第一定律（也叫轨道定律）。

（二）在同样的时间里，行星向径在其轨道平面上所扫过的面积相等。

这是行星运动的第二定律（也叫面积定律）。

3 从被忽视到正名
3.1被忽视的经历
开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题。

这个问题的答案曾使甚至像哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解。

从开普勒取得的成果的重要性来看，令人感到惊奇的是他的成果起初差一点被忽略，甚至差点被伽利略这样如此伟大的科学家所忽略（伽利略对开普勒定律的忽视特别令人感到惊奇，因为他俩之间有书信往来，而且开普勒的成果会有助于伽利略驳斥托勒密学说）。

如果说其他人迟迟不能赏识开普勒成果的重大意义的话，他本人是会谅解这一点的。

他在一次抑制不住巨大喜悦时写道：“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿。

它不是会被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到──这是无所谓的事。

它也许需要足足等上一百年才会有一个读者，正如上帝等了6000年才有一个人理解他的作品。

”
3.2正名
但是经过几十年的历程，开普勒定律的意义在科学界逐渐明朗起来。

实际上在17世纪晚期，有一个支持牛顿学说的主要论点认为开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来，反过来说只要有牛顿运动定律，也能从开普勒定律中精确地推导出牛顿引力定律。

但是这需要更先进的数学技术，而在开普勒时代则没有这样的技术。

就是在技术落后的情况下，开普勒也能以其敏锐的洞察力判断出行星运动受来自太阳的引力的控制。

开普勒于1630年在巴伐利亚州雷根斯堡市去世。

在“三十年战争”的动乱中，他的坟墓很快遭毁。

但是业已证明他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为历久长存的纪念碑。

美国东部时间6日22时50分（北京时间7日11时50分），世界首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器——“开普勒”太空望远镜在美国卡纳维拉尔角空5军基地发射升空。

以开普勒的名字来命名，就是为了纪念他。

4 天体学家研究天体在方法上的共性
4.1数据记录上的共性
天文学研究的对象有极大的尺度，极长的时间，极端的物理特性，因而地面试验室很难模拟。

因此天文学的研究方法主要依靠观测。

由于地球大气对紫外辐射、X射线和γ射线不透明，因此许多太空探测方法和手段相继出现，例如气球、火箭、人造卫星和航天器等。

天文学的理论常常由于观测信息的不足，天文学家经常会提出许多假说来解释一些天文现象。

然后再根据新的观测结果，对原来的理论进行修改或者用新的理论来代替。

这也是天文学不同于其他许多自然科学的地方。

而在以前，由于观测手段的局限，天文学家们获得的数据的准确度与现在还是有着一定的距离的。

和开普勒同时代的天文学家们就是通过观测天体的运动来获得数据的。

但是，能做到第
谷那样的科学家并不占多数。

获得数据的方法本就不大准确，加上一些人为地疏忽，获得的数据可谓是不大令人满意的。

这或许就是那个年代的天文学家们的一种状况。

数据都不能算是精确，要做研究就更难了。

4.2数据处理上的共性
至于数据的处理，到是没有太大的区别。

用到的基本上都是数学知识。

尤其是几何学、统计学、概率等方面的知识。

虽然方法差不多，但出的成果却相差很大，可见数学知识也是天文学家不可或缺的一种能力。

开普勒在数学上的造诣也使得他在获得了准确的数据后可以得出天体运动的轨迹，将数字的作用充分发挥了出来，成就了他的事业。

5 开普勒的独创性
开普勒的贡献之所以为人所追捧，不仅仅是其为天文学做出的巨大贡献，还有其在研究方法上的独创性。

开普勒获得数据的方式也仅仅是简单的三角测量法。

而他的独创性就体现在这一方法中对于“基线”的选择。

以火星为基线，可谓是巧夺天工。

火星是运动着的，又怎么能做基线呢？然而聪明的开普勒想出一条“动中取静”的妙计。

那时人们对火星的视运动已经知道得非常清楚，它绕太阳运行的周期（一个“火星年”）是精密地测定了的。

既然它是在闭合的轨道上运行，就总会有这么一个时刻，即太阳、地球和火星处在同一直线上，而且每隔一个“火星年”之后，它总又要回到天空的同一位置上来。

因此，火星虽然是动的，但在某些特定的时刻，总是存在一条基线的；而地球呢？在这些时刻，它会到达自己的不同位置。

这时，对太阳和火星同时进行观测，就成为开普勒测定地球轨道的手段。

开普勒的独创之处并不仅仅体现在对于数据的获得和处理上，还体现在他创造性的提出了天体的运动轨迹并非一定是圆形而可以是椭圆。

敢提出这样一种前无古人的猜想绝对是创造性的。

6 总结
虽然阿看似顺利，但开普勒得出这样一个具有重大意义的结论还是十分的困难的。

如果不是有第谷这位前辈留下的记录极为详细的天文学数据，开普勒根本就难以发现实验数据与三大假设都不符合这一事实，就谈不上继续研究了。

另外，不是每个人都能有开普勒那样的奇思妙想的。

开普勒能够想到这样一个方法，也是有一定的不确定成分在内的。

毕竟当时比开普勒“聪明”的同样置身于天文学的科学家还是大有人在的，但惟独开普勒想到了这个方法。

所以说，科学研究也并非有一个聪明的头脑就足够了的，也需要偶尔的灵光一闪。

只是，这样的灵光一闪显得过于虚幻罢了。

再者，开普勒能够根据获得的数据推出天体运动的轨迹以及距离与速度的相关关系与当时急速进步的数学也是有着紧密的关系的。

若是数学上的研究未达到一定程度，即使有数据也是无用的。

综合来说，一个科学家要想获得一个骄人的成果，首先就要有一个很高的起点，即能够掌握丰富的知识；然后就是一个能够提供各种资源的平台，科学研究投入的不仅仅是人力，还有很多的物力财力；接着便是有着一副好的头脑，所谓的灵感则是太过于虚幻了；最后，则是拥有足够的适当的工具。

这里的工具不仅仅只各种物质化的工具，还包括很多理论层面上的各种工具如物理学上的各种定律或者是数学上的各种定理。

尽管满足了所有的条件，出好的成果的可能依旧没有太大。

科学研究是一件很考究耐心的工作。

而科学家们有时在人们眼中总是显得有点怪异，正是因为科学家投入的太深而忘记了修饰自己。

可见科学研究所需求或许不仅仅是耐心，而是整个身心的投入。

姑且，就称这样的一种精神为科学精神吧。