没有望远镜的年代，他如何算出行星运行的终极规律？

头像

航空知识

2025-03-31 21:36发布于北京《航空知识》杂志官方账号

在当代天文学领域，只要论及行星观测与研究，有一个伟大的名字始终无法被忽视——那就是德国天文学家约翰内斯·开普勒。开普勒生于1571年，若换算为中国纪年，正值明穆宗隆庆末年，亦即万历皇帝即位前夕。这位科学巨匠的成长历程颇为坎坷，幼年时因罹患天花导致视力严重受损，双手也留下永久性功能障碍。然而，正是这样一位身有残疾的学者，自幼便展现出非凡的数学天赋与对科学的浓厚兴趣。
开普勒卓越的数学天赋为他毕生的科学成就奠定了重要基础。早年在修道院学习期间，他系统地掌握了拉丁文——这一当时学术研究的通用语言。在16世纪的欧洲学术界，拉丁文是研习数学、天文学和哲学等高等学问的必备工具，唯有精通拉丁文，方能研读古代先贤的经典著作。正是这一语言能力的获得，为开普勒后续的学术研究提供了至关重要的文献阅读与思想交流的工具。
此后，开普勒进入德国蒂宾根大学攻读哲学。正是在此求学期间，他首次系统接触了哥白尼的日心说理论。经过深入研读，开普勒确信这一学说具有科学合理性。然而在16世纪末，日心说仍被视为非主流理论，遭到当时学术界的普遍质疑——究其根本，在于该学说缺乏充分的观测数据支撑。这一学术困境恰恰为开普勒指明了研究方向，他坚信哥白尼揭示的可能是宇宙运行的真实规律，并决心通过自己的研究为其寻找确凿的科学依据。

图片

1594年，开普勒赴奥地利担任天文学与数学讲师，此时他已初具学者风范。在教学过程中，他对自己的理论进行了系统性的重构，这一重构过程充满了富有创造力的科学想象。开普勒提出一个大胆的假说：太阳系行星轨道之间可能存在着精确的几何数学关联。1596年，年仅25岁的开普勒发表了《宇宙的奥秘》一书，在著作中构建了一个极具想象力的理论框架。他认为各行星轨道之间可能存在内接正多面体与外切球体等精妙的几何关系，并坚信上帝在创世时必定严格遵循了数学与几何法则。尽管这一理论尚缺乏充分的观测证据支持，但正是这种突破常规的科学想象力，奠定了开普勒独特的研究范式——先以数学美学的构想为先导，再通过观测数据与数学推导加以验证，最终揭示宇宙运行的真实规律。这一开创性的研究思路，正是《宇宙的奥秘》最重要的学术贡献。
1600年，开普勒的人生迎来了重要转折。他受邀前往布拉格近郊的贝纳特基城堡，担任丹麦著名天文学家第谷·布拉赫的观测助手。尽管这一职位在当时的天文学界并不显要——毕竟第谷作为神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的御用天文学家和数学家，享有崇高的学术地位。第谷在其精心建造的天文观测台已持续积累了数十年的精密观测数据，这些珍贵资料正是开普勒梦寐以求的研究基础。他深知，跟随这位观测天文学大师工作，将为自己打开通往科学突破的大门。
在协助第谷进行天文观测期间，开普勒敏锐地注意到火星运行的特殊规律：其轨道速度与太阳距离呈反比关系——距离太阳越近时运行速度越快，反之则越慢。这一发现使他更加渴望借助第谷积累的庞大观测数据来验证自己的理论假设。然而颇具戏剧性的是，尽管第谷拥有堪称无价之宝的长期观测记录，却始终将其视为绝密资料严加保管，从不轻易示人。这使得开普勒虽近在咫尺，却难以获取这些关键数据来推进研究。这种“望宝山而不得入”的处境，既反映了当时学术资料保护的严格程度，也凸显了科学发现过程中机遇与障碍并存的现实困境。

图片

作为丹麦天文学大师第谷的观测助手的工作经历，是开普勒最为重要的一段人生履历。第谷数十年来坚持天文观测并积累了丰富的资料，这些资料在第谷死后成为开普勒一系列重大发现的数据基础。这张1587年的铜版画描绘的就是第谷在瑞典进行天文观测的场景。
第谷在临终前做出了重要安排——他将毕生积累的天文观测资料全部托付给开普勒，同时开普勒也继承了其神圣罗马帝国御用数学家和天文学家的头衔。这份珍贵的学术遗产，为开普勒的研究提供了前所未有的数据支持。
凭借这些系统而精确的观测资料，开普勒得以跳过漫长的数据积累阶段，直接验证了他早年关于行星轨道数学关联的理论构想。他将非凡的数学天赋、大胆的科学想象与第谷的观测数据完美结合，在短短数年内便提出了著名的行星运动三大定律。这些定律不仅完美解释了行星的运行规律，更成为现代天体力学奠基性的理论基石，标志着人类对宇宙认知的重大飞跃。

开普勒行星运动三大定律是人类天文学史上的里程碑式发现：
  1. 第一定律（轨道定律）指出，行星绕恒星运行的轨道并非传统认为的正圆形，而是椭圆形，且恒星位于椭圆的一个焦点上。这一发现彻底颠覆了延续两千余年的"天体完美圆形运动"观念。
  2. 第二定律（面积定律）揭示了行星运行速度的变化规律：行星与恒星的连线在相等时间内扫过相等面积。这意味着行星在近日点运行速度最快，远日点最慢。该定律所展现的数学精确性令人叹服，其几何学内涵至今仍被视为经典力学的典范。
  3. 第三定律（周期定律）则建立了轨道周期与轨道大小的数学关系：行星公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。这一定量规律完美解释了为何距离太阳越远的行星公转周期越长，为后世天体力学研究奠定了理论基础。

这三条定律以其严密的数学表达和深刻的物理内涵，构建了描述行星运动的完整理论体系，不仅验证了哥白尼日心说的正确性，更为牛顿万有引力定律的提出提供了关键依据，堪称科学史上划时代的伟大成就。

图片

2010年，研究人员打开了第谷的棺木，对遗骸进行了检验，结果并未发现中毒死亡的迹象。至此关于开普勒谋害第谷的传闻才算平息。
即便在今天，当我们以现代人的视角回望开普勒的研究历程，仍不禁为其独特的研究路径所折服。这位科学先驱在没有万有引力理论支撑的时代，凭借惊人的想象力、卓越的数学才能与严谨的观测验证，构建出行星运动的三大定律，为人类认识宇宙奠定了坚实的理论基础。牛顿后来提出的万有引力定律，正是建立在开普勒这一开创性工作的基础之上。
开普勒的科研历程揭示了一个深刻的科学发现规律：伟大的科学突破往往始于天马行空的想象，但要将想象转化为可靠的理论，必须依赖两个关键要素——首先是强大的研究工具（如开普勒超凡的数学能力），其次是确凿的实证依据（在天文学中即精确的观测数据）。这种"想象-理论-验证"的研究范式，至今仍被视为科学探索的典范。
开普勒的传奇科研故事及其方法论启示，读者可在《航空知识》2025年第三二期杂志中获取更详尽的解读。这位科学巨匠的成就不仅改变了人类对宇宙的认知，更为后世科研工作者树立了永不过时的研究典范。

更多详细内容将刊登于
《航空知识》2025年第3期，
敬请各位读者关注。

图片


图片




风上风云｜云端故事

图片


图片
望您读后可以顺手点亮"赞"在看"！