发现行星运动的开普勒第三定律丨科学史小画

编者按：每周中科院之声会手绘一张“科学史小画”，再由中国科学院自然科学史研究所给大家介绍小画背后的故事。

德国天文学家开普勒（Johannes Kepler）因发现了行星运动的三大定律，确立了太阳系的概念，被誉为“天空立法者”。

开普勒在图宾根大学读书时了解到了哥白尼学说，成为了哥白尼的拥护者。1596年，他完成了第一本著作《宇宙的奥秘》，并将它寄给了丹麦天文学家第谷。第谷读到这本书后十分赏识这位年轻人，便邀请开普勒到他负责的布拉格天文台担任助手。开普勒从小患过天花，损伤了视力，但他擅长理论分析；第谷一生积累了大量的天文观测数据，几乎达到了人类肉眼观测的极限（那时望远镜等天文仪器还未出现）。有科学史学者认为，在开普勒与第谷简短的相遇和思想的激烈碰撞中，一种新的宇宙秩序诞生了。

第谷逝世后，开普勒接替了其皇家数学家的职务。开普勒在第谷留下的大量天文观测资料的基础上继续展开行星运动方面的研究，他首先选择了观测资料最丰富的火星，经过长期的计算、归纳，他得出结论：至少就火星而言，其运动轨迹并非像托勒密、哥白尼以及自己在《宇宙的奥秘》中认为的那样是一个圆，而是椭圆。1609年，开普勒在《新天文学》一书中阐述了行星运动的第一定律和第二定律，也即椭圆定律与面积定律。1612年，受宫廷政治斗争的影响，开普勒被迫离开布拉格，在经济困窘、身体欠佳的状态下，他依然坚持自己的研究。1618年3月8日，开普勒发现了行星运动的第三定律：行星公转周期的平方与其到太阳平均距离的立方成正比，也即周期定律。

开普勒行星运动三大定律将哥白尼关于太阳和行星运动的一般规律转化为精确的数学公式，它们不但适用于太阳系的大小行星、彗星与流星体等，同样适用于恒星中的双星系统以及一切在引力作用下绕转的天体系统。尽管开普勒的三大定律在当时并未得到公认，但对后来牛顿创立万有引力定律起了决定性作用。

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来源：中国科学院自然科学史研究所

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