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        封面說(shuō)明

        2021-04-13 15:24:02陳曉林,田光善
        大學(xué)物理 2021年1期

        今年是偉大的德國(guó)天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開普勒誕辰450周年。本刊特以他的肖像和以他的名字命名的描述太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)的三大定律作為封面,致以敬意。

        約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler)1571年12月27日生于符騰堡威爾德斯達(dá)特鎮(zhèn)。他從小體弱多病,但天性聰慧。受符騰堡公國(guó)的君主實(shí)行的開明政策下的獎(jiǎng)學(xué)金資助,他16歲時(shí)開始在蒂賓根大學(xué)學(xué)習(xí),并有幸在M.麥斯特林教授指導(dǎo)下研習(xí)天文。在大學(xué)學(xué)習(xí)期間,他了解到并接受了日心說(shuō)。開普勒于1588年獲得學(xué)士學(xué)位,1591年獲文學(xué)碩士學(xué)位。當(dāng)時(shí)他想當(dāng)一名路德教的牧師,所以又留校學(xué)習(xí)神學(xué)。1594年他前往奧地利的格拉茨,在路德教會(huì)高級(jí)中學(xué)任數(shù)學(xué)和天文學(xué)教師。1600年開普勒到達(dá)布拉格,任第谷的助手,并開始研究火星的運(yùn)動(dòng)。次年第谷去世,他繼任為魯?shù)婪蚨赖挠皵?shù)學(xué)家。

        通過(guò)對(duì)第谷留下的大量觀測(cè)資料進(jìn)行長(zhǎng)期的分析,開普勒于1609年發(fā)現(xiàn),若假設(shè)行星的運(yùn)行軌道為橢圓的話,則可以對(duì)第谷留下的觀測(cè)資料做出合理的解釋。由此他得出了“開普勒第一定律”,即火星是沿著橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行的,而太陽(yáng)則處于兩個(gè)焦點(diǎn)之一的位置。在當(dāng)時(shí),這一觀點(diǎn)是革命性的,需要提出者有擺脫傳統(tǒng)觀念的智慧和毅力。在開普勒之前,所有的天文學(xué)家,包括哥白尼和伽利略都堅(jiān)持亞里士多德和畢達(dá)哥拉斯的觀點(diǎn),即圓是完美的幾何圖形,故一切天體的運(yùn)動(dòng)軌跡都應(yīng)該是一個(gè)圓周。進(jìn)一步,開普勒又指出,火星的運(yùn)行速率是不均勻的:當(dāng)它離太陽(yáng)較近時(shí)速率較大,而離太陽(yáng)遠(yuǎn)時(shí)則速率較小。但是從任何一個(gè)時(shí)刻開始,太陽(yáng)中心到行星中心的連線在相等的時(shí)間所掃過(guò)的面積是相等的。這就是開普勒第二定律(面積定律)。這兩條定律刊布在1609年出版的《新天文學(xué)》(又名《論火星的運(yùn)動(dòng)》)一書中。同時(shí),開普勒還指出,這兩個(gè)定律同樣適用于其他行星和月球的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步,在1619年出版的《宇宙諧和論》一書中,開普勒還公布了他所發(fā)現(xiàn)的行星運(yùn)動(dòng)第三定律,即繞以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行的所有行星,其各自橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方與周期的平方之比是一個(gè)常數(shù)。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。1630年,開普勒在巴伐利亞州雷根斯堡市去世,終年59歲,葬于拉提斯本的圣彼得教堂。

        眾所周知,開普勒的工作對(duì)于牛頓的影響是深遠(yuǎn)的。特別是牛頓的萬(wàn)有引力公式完全是建立在開普勒第三定律的基礎(chǔ)上的。為此有的學(xué)者,例如愛德華.泰勒(氫彈之父)寫道:“In my opinion, the man who really made the difference was Kepler. Without his ellipses, human thought about the heavens may not have been clarified for many more years”[4]。毋庸置疑的是,開普勒對(duì)于唯物論的最后建立有著不可替代的影響。

        [1] 《中國(guó)大百科全書》,第二版簡(jiǎn)明版,《中國(guó)大百科全書》出版社,2011年11月。

        [2] 《不列顛百科全書,國(guó)際中文版》 ,修訂版,《中國(guó)大百科全書》出版社,2007年4月第一版。

        [3] This month in physics history, APSNEWS,vol.23,No.7,July 2014,p2-3.

        [4] Edward Teller著《Conversations on the Dark Secrets of Physics》,Plenum Press, 1991, 66頁(yè)。

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