天文学发展十分重要的一个推动力,竟然只是一个理论结果与观测结果相差八角分的小小的误差?相信许多人都对此充满怀疑甚至不屑一顾。不过这确实是真的。这究竟是怎么一回事呢?且听我慢慢道来。

行星三定律,相信大家都不陌生。在这儿就不再赘述了。但是行星三定律之所以被称为天文学发展的一个重要的推动力,就是因为其改变了之前人们对行星运动的认知。行星三定律得以提出的前提就是承认行星公转轨道不是圆形而是椭圆形。在我们现在看来是一个广为人知的事实,但是在四百年前,这是一个不会有人去想象、去研究的设想。那时,虽然距离日心说提出已经有几十年了,越来越多的证据证明了日心说的正确性,但地心说也有一定的群众基础。除此之外,日心说中有一个十分明显的错误,那就是认为所有行星绕日运转都是匀速圆周运动。正是这种观点引出了后来的重大天文发现--行星三定律。

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开普勒

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第谷

时间回到1600年,年仅29岁的开普勒,因其出色的数学才能和创造性的思维,被推荐给了伟大的天文学家第谷。不久之后,开普勒接受到了第谷的邀请,邀请他前去整理自己的观测资料和编制新的星表。对于第谷,开普勒仰慕已久。早在自己25岁的时候就曾经与第谷有书信往来。也正是这种交流方式使得第谷认识到这样一个出色的人才。最终,他们两人得以在一起工作,为日后的重大发现埋下了伏笔。

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开普勒

当时,第谷正在着手编制一份新的星表。开普勒的加入无疑使得工作快捷了许多。不过这种情况并没有持续多长时间。次年十月,第谷就去世了,留下的只有自己辛苦观测所记录下的详细的天文资料。在国王的授意下,开普勒接替了第谷的工作,对第谷留下的观测资料进行分析研究。

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太阳系行星轨道并不是标准的圆形,而是有一定的轨道偏心率

在这里必须要声明的是,第谷虽然在天文观测方面成就斐然,但第谷实际上是一个地心说的拥护者。他认为其他行星绕太阳转,太阳又绕着地球转。不过他的观点并没有影响到他对观测结果的严谨性。第谷的观测数据在当时是首屈一指的。由于第谷对火星的观测数据最多,因此开普勒首先就对火星的轨道开始进行详细地研究。可是不研究不知道,一研究吓一跳。火星的计算结果与观测结果竟然存在着8角分的差异!

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火星

8角分,也就是1°的7.5分之1。在天文学上,这样的差异已经是很大了。我在之前有一篇文章讲述水星轨道异常,一百年才偏差43角秒,这么小的误差都有解释,这次的误差是水星轨道异常的十一倍还多,因此绝对有问题。而开普勒对第谷的观测结果又有一种莫名的绝对的信心。正是这种信念支撑着他研究下去。当他发现始终无法找到一个合适的圆形轨道来解释这一切的时候,就十分大胆地推翻了传统的理论,或者可以说是一种传统的偏见,大胆采用了一种椭圆形轨道来解释第谷的观测结果。令人吃惊的是,之前的误差奇迹般地消失了。

正是在这样的情况下,开普勒发现了行星三定律,第三定律稍后于第一第二定律出现。将天文学的发展一下子向前推进了一大步。包括稍后的牛顿,也是受到开普勒行星三定律的影响,才最终完善了万有引力定律,为物理学打下了深厚的基础。牛顿所谓“巨人的肩膀”可能更多的是指开普勒的“肩膀”吧。

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正是万有引力维持着天体的运转秩序

当然了,这其中也有一定的运气成分。也幸亏开普勒选择先拿火星“开刀”。因为火星的轨道偏心率在太阳系行星当中算是比较大的。如果换做金星,差距可能会很小很小,甚至真的被当做误差给忽略掉了。因此,天时地利,才造就了这样一个伟大的发现,也因此,开普勒被世人称为“天空立法者”。

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