第谷&开普勒体系 16

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第四季第16篇

(本文内容较长，阅读需8min)

科学界有一个再普通不过的事实——要发展一个伟大的学问，首先都要经历一段很长的时间，再者都需要一个过渡体，然后才会成为一个可靠且相对正确的事实。

而对于宇宙结构的认知，第谷可以算是充当了这个过渡体。

怎么定义过渡体？

过渡体=前人理论集合+自身理论的掺和。

我们先来看看第谷的体系。

01 第谷简介与它的体系

第谷·布拉赫（1546—1601）是16世纪下半叶备受尊敬的一位天文学家。

他的主要贡献是发展出了现在被称为第谷体系的天文学体系，并且在几十年间给出了非常精确的经验性观察结果。第谷的天文学观察结果在开普勒体系的发展过程中发挥了非常关键的作用。

第谷凭借自己的能力发展出了一个体系，其中既包括了大多数哥白尼体系得到认可的优势，又保留了“地球是宇宙中心”的观点，而这就是我们所说的过渡体。

根据第谷体系，地球是宇宙的中心，恒星球面同样被定义为宇宙边界。月球和太阳围绕地球运转，但行星围绕太阳转动。也就是说，尽管地球是静止的，而且是宇宙中心，月球和太阳都围绕地球运转，但是行星运动的中心是太阳。

如果用一张示意图来表示第谷体系，略去像本轮这样的内容，那么就会如下图所示。

第谷体系得到认可的一个优势是它保留了哥白尼体系的优势，同时也保留了“地球是宇宙中心”的观点。因此，尽管第谷体系在我们看来多少有点奇怪，但它实际上综合了托勒密体系和哥白尼体系这两者最为人们认可的特点。

简单来说，第谷是至此为止在那个时代里最谨慎、准确和勤奋的观察者，就这一点而言，他很有可能是人类历史上仅靠肉眼进行观察的人中最为优秀的一位。

在20年的时间里，第谷收集了关于太阳、月球和行星运动非常准确的数据（其准确性实际上已经达到了肉眼观察所能达到的极限），特别是关于火星，他收集了大量关于观察到的火星位置的数据，而且在很大程度上说，在开普勒发展其体系时，这些关于火星的数据是一个关键因素。

02 开普勒简介

约翰尼斯·开普勒（1571—1630）生于1571年，也就是在哥白尼体系发表几十年后，同时距离可以提供新经验数据来支持日心说观点的望远镜的发明也还有几十年。

在快到30岁时，开普勒才开始为天文学家、观察家第谷·布拉赫工作。开普勒与第谷合作的时间不长，因为第谷在开普勒加入不到两年就去世了。但是，第谷对开普勒最终发展出开普勒体系产生了至关重要的影响。

第谷去世后，开普勒获得了第谷积累的部分关键数据，而且在很大程度上说，正是因为获得了第谷的数据，开普勒才有可能发展出自己的体系。

这绝不意味着开普勒的研究工作是根据第谷的数据进行简单或直接的推断。开普勒为了发展自己的体系进行了异常努力、认真的研究，在这个过程中，仅为了找到正确的方法，开普勒就花费了多年时间。

有关火星的数据尤为重要，因为开普勒根据这些数据推理得出，不管是托勒密体系、哥白尼体系，还是第谷体系，都无法完全解释第谷观察到的火星位置。因此，开普勒明确地认为这些体系都不是特别正确。

开普勒开始探索新的体系，其关注的重点就是火星的运动。值得注意的是，开普勒所探索的新体系都以日心说为基础。造成这种情况的原因有很多，不过其中部分源于他的学生时代，那时他的老师是哥白尼体系的一个热情的支持者。

17世纪初，主要根据第谷的数据，开普勒已经可以推理得出所有以匀速运动为基础的体系都无法解释已观察到的火星位置。此时，他开始研究其他使火星可以在其轨道不同位置上以不同速度运动的体系。不久以后，开普勒得出类似结论，也就是所有仅以正圆轨道为基础的体系也都无法解释已观察到的火星运动，因此他开始探索不同形状的轨道。

最终，开普勒发现，椭圆轨道和行星以变化的速度沿椭圆轨道围绕太阳运动，可以完美地解释火星的数据。

在1609年，开普勒发表了他关于火星运动的模型，也就是火星沿椭圆轨道以变化的速度运动，不久之后，开普勒把这个模型扩展到了其他行星。

03 开普勒的模型

在了解之前，首先我们要先了解关于椭圆的知识。

椭圆形是一种拉长了的圆形。最简单的一个方法就是想象你用两颗图钉把一根皮筋的两端固定在了一张白纸上。

现在，想象你用一支铅笔把皮筋拉紧，然后让铅笔围绕图钉运动，在这个过程中保持笔尖一直在纸上，最后铅笔画出来的图形就是一个椭圆形。图钉所占据的点被称为椭圆形的焦点。而开普勒的第一个创新就是让行星围绕太阳沿椭圆轨道运动，太阳所在的位置就是椭圆形的两个焦点中的一个。

对行星轨道的这种描述，也就是“行星围绕太阳沿椭圆轨道运动，太阳占据椭圆轨道两个焦点之一的位置”，通常被称为开普勒行星运动第一定律（简称“开普勒第一定律”）

开普勒的另一个主要创新是让行星在沿其轨道围绕太阳运动的过程中进行变速运动。

更具体地说，根据开普勒体系，如果以行星为起点画一条直线把太阳连接起来，这条直线在相等的时间内扫过的面积相同。这个对行星运动速度的描述就被称为开普勒行星运动第二定律（简称“开普勒第二定律”），下图是对此最简单的说明。

要理解开普勒第二定律，假设有一条直线将火星和太阳连接起来。在1月1～30日的30天内，这条线会扫过某个面积（也就是图16-3中的区域A）。根据开普勒第二定律，在另一个30天内，这条线将会扫过相等的面积。

举个例子，在从11月1～30日的30天内，这条线会也会扫过某个面积（也就是图16-3中的区域B）。根据开普勒第二定律，区域A和区域B的面积大小将会是相等的。一般来说，连接行星和太阳的直线将在相等的时间内扫过相等的面积。

开普勒第二定律对行星运动提出了一个非常重要的推论。由于行星（比如火星）在其轨道上的某个点处距离太阳更近（在图16-3中，火星在左侧时距离太阳最近），因而当火星运动到其轨道的这一部分时，运动速度会更快，

而当它运动到其轨道距离太阳更远的部分时，运动速度则会更慢。换句话说，根据开普勒第二定律，行星的运动不是匀速的。相反，在其轨道的不同阶段，行星的运动速度会发生变化。

对于开普勒本身其实还发表了其他十几个“定律”，都反映了他所发现的规律，或者他认为自己所发现的规律。

今天，这些定律中的大部分已经被忽略，只有三条得到了认可（其中两条在上面已经进行了解释，第三条定律描述的是行星与太阳之间的距离和沿轨道围绕太阳运动的时间），然而，对开普勒来说，这些就是他研究工作的主要内容，也就是发现宇宙中固有的规律，从而读懂上帝所思。

总结：我觉得伟大理论得伟大之处不仅仅在于发现了科学的新知，更重要的是能够在当时的社会舆论下打破固有的思维才是真正的伟大。

好，今天就到这里了~

Masir 2022/01/30

于 东莞

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参考文献 

理查德.德威特 《世界观》

图片来源于《世界观》

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