开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

在伟大的哲学家康德的墓碑上,镌刻着这样一段铭文:"有两种东西,我们愈是时常愈加反覆地思索,它们就愈是给人的心灵灌注了时时翻新, 有加无已的赞叹和敬畏 ——头顶的星空和心中的道德法则"。

由此可以看出,哲学大师对星空的敬畏。其实不止康德,自从人类诞生之日起,就对星空充满了好奇,无数至圣先哲都对星空做出了自己的猜想,这其中有中国古老的盖天说,也有托勒密的地心说,这个时候的人类有点过于傲慢,认为我们居住的大地就是宇宙的中心,诸天星辰都在围绕我们转动,直到哥白尼的"日心说"才打碎了这种傲慢,但是增加了更多的迷茫,既然大地和星星一样平凡,那么他们遵循什么样的规律呢?

这就需要伟大的开普勒来回答了。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

1、 奇葩师徒

要说开普勒,必须要说到他的老师第谷,这对师徒都是奇葩,而且完全相反。

第谷世袭贵族,出身高贵,开普勒母亲则热衷巫术,为人不齿;第谷天生土豪,花金子都论吨,这不是玩笑啊,他建天文台确实花了一吨多黄金,开普勒穷困潦倒,孩子都养活不起,最后死在了讨薪的路上;第谷爱情至上,娶了一个农家女,为此和贵族家庭断绝了关系,开普勒攀龙附凤,嫁给了一个名门寡妇;第谷神目如电,可能是有史以来视力最好的人,不过不擅于思考,开普勒则视力不佳,却喜欢奇思妙想。

就是这么两个完全相反的人,却走到了一起,开创了天文学的新时代。

1596年,开普勒写了一本书叫做《宇宙的奥秘》,这本书在科学史上影响巨大,不是指的学术价值啊,这本书纯粹就是开普勒的胡思乱想,毫无学术价值,不过开普勒把这本书寄给了欧洲的各位学术大咖,这其中就包括伽利略和第谷。

伽利略收到书之后,产生了对天文学的兴趣,成为了一代大师,第谷收到书之后,觉得这个年轻人孺子可教,准备传之于衣钵。开普勒这一本书启发了一位大师,还造就了自己,作用还不大嘛。

也怪不得第谷求贤若渴,作为望远镜发明以前的最杰出的星空观测者,他拥有最详尽的星空资料,可是他却无法整理出一套理论来解释他的资料。

为什么会这样呢?因为他虽然是最伟大的星空观测者,却不擅长理论思考,这个时候他必须需要一个学生来继承衣钵。

对于这么一个千载难逢的好机会,开普勒当然是要抓住了,起初师徒两人合作愉快,可是好景不长,开普勒家的名门寡妇不乐意了,她鼓动开普勒和第谷决裂,让开普勒自立门户。

其实真的很难理解开普勒这位名门寡妇的心思。要是说她攀龙附凤吧,那么在当时欧洲恐怕还没有比第谷更合适的人,各国国王贵族都把第谷奉为上宾,因为第谷是占星术大师啊,这个很好理解,天上的星星属他最清楚,当然占星术他说了算了,她又为什么让开普勒和第谷决裂呢?

要说她不想让开普勒依附第谷,做一个自力更生的男子汉吧。可她应该调动自己家的资源来支持开普勒啊,可是她也没有。

可是更搞不懂的是开普勒,他居然听信了名门寡妇的话,想想也有道理,开普勒在家里没有地位,老婆的话当然就是圣旨了,开普勒打算和第谷决裂了。他开始四处散布第谷的谣言,而且写了一封措辞激烈的信就不辞而别了。

这也是第谷这时候年事已高,已经不是当年的冲动少年。当年第谷可是敢拔剑决斗的古惑仔,他的鼻子就是因为决斗被人家削掉的,后来第谷做了一个假鼻子,何况当时第谷地位尊崇,随便说两句话,就可以改变开普勒一生。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

仔细看一下第谷的鼻子,那一道裂痕就是假鼻子的证据

第谷爱才心切,写信请开普勒回来,开普勒也很快幡然悔悟,给第谷写信道歉,师徒两人和好如初,不过,第谷并没有接受开普勒的道歉,并不是第谷心高气傲,而是第谷认为这只是年轻人一时冲动,不值一提,并不值得道歉。

但是师徒两人的缘分却没有多久了。不久,第谷就在一场宴会后身亡,原因有点奇葩。宴会之上,高朋满座,自是酒到杯干,不过,喝多了,难免会想去厕所方便一下,这对于任何人都很正常,但是对于第谷来说有点难堪,作为贵族,第谷觉得宴会中离席去厕所有点不合礼仪,所以就一直憋着,结果就憋死了。

第谷去世后,谣言四起,甚至有人说是开普勒谋害了第谷,原因就是为了霸占第谷的天文台,但是开普勒却没有在意,因为对老师最好的纪念就是完成他未竟的事业。

二、火星的麻烦

第谷生前曾对开普勒说过"除了火星所给与你的麻烦之外,其他一切麻烦都没有了。火星我也要交托于你,它是够一个人麻烦的。"

为什么第谷如此看重火星,火星又有什么麻烦呢?

在群星之中,并不是火星轨道最神秘莫测,而是火星的观测数据最丰富,这样就和地心说日心说的理论推导差别也最大,第谷也感觉到了不管是地心说还是日心说可能都是错的,这是最基本的科学精神,因为观测是不可能错的,第谷也因此创造了自己的学说,不过他自己的学说也不能完全解释火星的轨道观测数据。

这些学说中哪个才是正确的呢?这就要靠开普勒来验证了。

地心说第一个出局了,日心说呢?也有些问题,那么第谷自己的理论呢?这个理论更乱,问题出在了哪里了呢?

问题就出在了最基本的假设上,无论托勒密还是哥白尼,包括第谷,都认为行星的轨道是圆形的,而且做匀速圆周运动,这个假设就是错的。

经过四年的磨砺,开普勒发现火星的轨道并不是圆形,而是椭圆,太阳就位于椭圆的一个焦点上,这就是开普勒行星第一定律。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者


开普勒行星第一定律指出,行星运行轨道由完美的圆变成了不太完美的椭圆,这是对地心说的又一次打击。

而且火星也没有做匀速运动,而是在近日点运行速度快,远日点速度慢,但是在相同时间内扫过的面积是相等的,这就是开普勒行星第二定律。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

通过开普勒行星第二定律,开普勒为不太完美的椭圆轨道找到了完美的数学解释,观感上的完美从来都不是真正的完美,只有数学上的完美才是真正的完美。

得到两个定律之后,火星的麻烦解决了,开普勒完成了老师的嘱托,但是他并没有止步,因为他感觉到在星空中还隐藏着一条定律。

三、天空立法者

开普勒感觉行星的运行周期应该和轨道之间有某种关联,可是并不知道行星轨道的具体数据,开普勒想了一个巧妙的办法,他把地球和太阳的平均距离作为一个距离单位来计算各个行星轨道的半径,同时把地球的公转周期作为时间单位来计算行星的公转周期,那么就得到了下面这张表。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

那么行星公转的周期和半径又有什么关系呢?又经过了近十年的思考,开普勒终于发现了它们之间的奥秘。

开普勒发现周期的平方和半径的立方是相等的,这就是开普勒第三定律,就如同下表一样。

开普勒:看破星空奥秘的天空立法者

至此,开普勒已经勘破了星空的奥秘,从一个星空观察者成为了"天空立法者"。

开普勒达到了当时人类的巅峰,可是这并没有改变他窘迫的生活,他的保护人鲁道夫被逼退位,虽然新皇帝愿意继续留任开普勒,但开普勒宁愿继续跟随鲁道夫二世,于是开普勒从御用数学家又变成了中学教师,生活又一如以往,其实在担任御用科学家的时候,他的薪水也只有当初第谷的一半,而且还经常拖欠。

屋漏偏遭连夜雨,他的名门寡妇已经离世,他和一个贫家女再婚,他的孩子也大多因为贫困夭折,而他的母亲因为巫术被捕,可谓雪上加霜,开普勒又要花费大量时间与精力去拯救母亲,以免老人受到拷打。

本来开普勒还可以通过占星术补贴家用,可是他的研究也宣告了占星术的破产。

第谷是首屈一指的占星家,依靠占星术,第谷和贵族们保持了良好的关系。开普勒也写过关于占星术的书,虽然他并不相信这一套,但是以此让达官贵人为他们的无知而付出一些代价也无可厚非,但之前星星出现的位置是观测到的,还可以说预示着某个人的命运,可现在星星的位置居然可以计算了,还怎么预示人的命运呢?总不能说人的命运都可以被开普勒计算出来吧。

虽然如此,但是开普勒还是没有忘记老师的嘱托,第谷一生最大的愿望就是编撰一个星表,把漫天星辰收纳于指掌之间,现在开普勒手中不但有最丰富的观测资料,也有日月星辰的运行之规,使得编撰星表成为可能。

但是编撰星表还需要一个重要条件,那就是钱,第谷已逝,他们师徒共同的保护人鲁道夫二世也已经退位,而他自己,连基本生活都难以为继,谁还承担出版的费用呢?

所幸威尼斯政府承担了大部分费用,但是其余部分仍需要他自行筹集,当时开普勒正处于内忧外困之中,基本生活都难以为继,最后由皇家财政机关补贴,星表才艰难刊行,为了纪念他和老师共同的保护人,星表被命名为《鲁道夫星表》。

《鲁道夫星表》是那个时代最重要的天文成果,包罗万象,精确非常,真正做到了纳须弥于芥子,直到18世纪中叶都是天文学的圭臬。

出版了星表之后,开普勒也支撑不下去了,1630年,他来到雷根斯堡来讨要他的欠薪,不幸染病身亡。


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