开普勒与宇宙

来源:ESA

对我们大多数人来说,“开普勒”这个名字会让人想到开普勒太空望远镜,它是NASA的太空之眼。迄今为止,它已发现4696颗候选系外行星,其中1031颗已得到证实,并且在失去第二个反作用轮后,它被重新用于K2任务。开普勒望远镜令人惊叹,但它的同名者约翰内斯·开普勒也同样令人惊叹。英国皇家天文学会会员大卫·K·洛夫(David K. Love)在他的新书《开普勒与宇宙:一个人如何彻底改变天文学》(Kepler and the Universe: How One Man Revolutionized Astronomy)中,才华横溢地记录了开普勒的生活和主要发现。

十六世纪的天文学是一个有趣的时期。几个世纪以来,亚里士多德的地心宇宙观一直盛行。认为所有天体都在完美圆周上围绕地球运行,并由第一推动者驱动的观点,将人类牢牢地置于宇宙的中心。但观测结果并不支持这种观点,这种不一致促使尼古拉·哥白尼在他的1543年著作《天体运行论》(De revolutionibus orbium coelestium)中提出了日心模型,即太阳是中心的。

哥白尼的观点并不容易被接受,而且相信它也不安全;将地球移离中心意味着人类不再是宇宙的中心,因此也不是按照上帝的形象创造的被选中的物种。日心模型被罗马天主教会谴责为异端,传播这种思想也被视为同样严重的罪行。而当约翰内斯·开普勒于1571年12月27日出生在德国现代的威尔·德·施塔特(Weil der Stadt)时,这一思想才刚刚出现28年。

他很早就对天文学产生了热爱;6岁时他观察到了1577年的大彗星,1580年观看了月食。这些事件无疑激发了他对科学的兴趣,但他选择了一条宗教道路。他在图宾根大学(University of Tübingen)学习神学,在路德宗家庭长大。正是在这里,他接触到了哥白尼的观点,并未被其争议性所吓倒,最终放弃了神学,前往奥地利格拉茨(Graz)教授数学和天文学。

1600年,他移居布拉格,在第谷·布拉赫(Tycho Brahe)手下工作。第谷是一位天文学家,部分因其开创性的地日合心模型而闻名,在该模型中,太阳围绕地球运行,但所有其他行星围绕太阳运行。在他于1601年去世之前,第谷委托开普勒分析他尚未公布的观测数据。在仔细研究了这位已故同事的数据后,开普勒发现火星的轨道是椭圆形的,而不是圆形的。这一发现发表在他1609年的著作《新天文学》(Astronomia Nova)中,并成为他现在所知的第一个行星运动定律:行星围绕太阳运行的轨道是椭圆,太阳是两个焦点之一。该书还提出了第二个定律,即从太阳中心到行星中心的假想直线在相等的时间内扫过相等的面积。

普罗米修斯图书(Prometheus Books)

1612年,开普勒移居林茨(Linz),七年后出版了《世界的和谐》(Harmonices Mundi)。这部后来的著作提出了开普勒的第三个行星运动定律:行星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。

行星运动三大定律是开普勒最广为人知的贡献,但远非他唯一的贡献。他1604年的《光学新论》(Astronomia Pars Optica)被认为是现代光学的基础,描述了人眼内部的折射过程以及双眼如何产生立体视觉。他1515年的著作《酒桶的立体测量》(Stereometrica Doliorum)是微积分的基础。他还是第一个提出太阳围绕自身轴线旋转的人。

洛夫令人印象深刻地详细记录了开普勒的生活以及导致他每一项重大发现的条件,他专注于科学,同时也不忽视影响开普勒生活的宗教和个人因素。《开普勒与宇宙》是一部易于理解的作品,最可能吸引天文学、历史和太空爱好者,但它也不会疏远对宇宙有强烈兴趣的初学者。而且篇幅仅200多页,相当短小,非常适合在漫长的跨国假日飞行中阅读!

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