【太阳系】最早利用“大数据”的天文学家是谁

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精华笔记

上一集我们可以说是从一个故事的角度，或者说文科视角，讲了一下天体运动大概是什么样的。简单概括一下就是，至少太阳系是以太阳为中心，小的绕着大的转，我们说粗浅一点叫做文科表述。这一集我就来跟你讲讲看，天体运动的理科表述是什么样的？它具体是怎么转的，转出来是个什么形状？

首先还是要说一说以亚里士多德为首的这一批古希腊哲学家，因为他们的完美主义倾向，所以都认为天体运动一定是非常完美的正圆形，也就是所谓的圆周运动。这个认知并不完全错，但只能说这是一种极其理想的情况，如果我们用牛顿定律去算天体运动，你会发现原圆周运动确实是存在的，是理论上可行的，但在现实中并不存在。那一般情况下，天体运动是个什么形状呢？

首先就是圆周运动这一点，在伽利略发现了木星的卫星之后，很快就被推翻了。当时大概是在16到17世纪，丹麦天文学家第谷和德国天文学家开普勒，他们俩其实就推翻了圆周运动的结论。上一集已经你讲过了，开普勒是哥白尼的迷弟，当时作为第谷的助手，一起给皇帝打工，他也不算是一个地地道道的科学家。但是开普勒只给第谷当了一年的助手，第谷就去世了。

| 第谷（左）和开普勒（右）

第谷是地地道道搞天文观测的，观测的最大用途其实也是占星，然后拿来算命。说起第谷其实还非常好玩，当时神圣罗马帝国有一个非常迷信的皇帝，这个皇帝叫鲁道夫二世。据说此人十分相信星座，还专门找了第谷和另外一个观星学家来给他算命，我如果没有记错的话，这个占星学家给他的建议就说你看你是个巨蟹座，这个星座不是很好，跟你的命理不合。于是这个皇帝就干了一件非常奇葩的事情，他诏告天下说从今天开始我的星座改成金牛座，从今天开始我就是一个金牛男，所以你看皇帝还有这种操作。

总的来说就是从第谷开始已经有了比较系统化的天文观测，第谷死后开普勒其实是承接了他的工作，那个时候还远远没有牛顿什么事，也就是说天体运动的这个力学规律还不知道。但是开普勒做了一件事，真的是可以说是精诚所至，金石为开，他的精神是非常值得大家学习的。他用了一个方法，这个方法其实根本就不能叫做方法，就是纯粹的暴力观测，一个一个地记录，日复一日，年复一年，它可能每天晚上都要观测这个星星的方位在什么地方。然后他积累了大量的数据，这个精神是非常可感的，可以说是叫做人肉计算机。开普勒通过总结多年间对星体的观测，他虽然不知道星体观测的数学规律是什么，但是他通过大数据的对比，发现天体的运动并不是一个圆，而更像是一个椭圆。

开普勒主要是通过观测火星的轨迹发现火星绕太阳转的时候走的是一个椭圆，因为火星的轨迹在太阳系的行星当中算是比较扁的，它的椭圆的性质观测起来就比较明显。于是开普勒就果断地放弃了圆周运动的说法，虽然圆周运动在当时其实已经统治了人类思想超过2000年，可见2000年的偏见在28年积累的大数据面前，也是要低头的。

那么开普勒通过他暴力的计算总结出来了开普勒三大定律。第一定律很简单，就是开普勒认为行星在绕太阳转的时候，运动轨迹是一个椭圆；第二定律就是说天体运动的时候，单位时间内划过的面积守恒。就是说小的绕着大的转，它们中间有一个连线，在行星转动的过程当中，它会在空间中划过一段区域，它单位时间内划过的这个区域的面积是守恒的。换言之，当它离大星球近的时候，转的速度就快，远的时候转的速度就慢，因为要保证单位时间内划过的面积基本相等；然后第三定律就是行星转一圈的周期和椭圆轨道的半长轴有一个数学关系，周期的平方和半长轴的三次方成正比，这个就是著名的开普勒三定律。这三个定律里面完全没有任何的推演，纯粹是靠对数据的归纳，所以说它是一个观测的结果，或者说是一个猜想，开普勒并没有给出解释，说为什么运动规律是这样的。

开普勒之后，拯救天体运动的救世主就出现了，这个人就是牛顿。牛顿可以说是所有学物理的人的祖师爷，入行都得拜牛顿。牛顿总结出了万有引力定律，就是两个星球之间的万有引力正比于它们的质量，反比于它们距离的平方。那么万有引力定律，你如果去解方程，用数学方法去算天体运动的轨迹，就能算出来它确实是个椭圆。

那为什么说圆也没错呢？因为圆只不过是一个特殊的椭圆而已，只不过是椭圆的两个交点重合了，把这两个焦点并在一块，长轴跟短轴就相等了，就变成了一个圆。那么根据万有引力算出来的椭圆轨迹，其实就可以反推出开普勒三定律是完全正确的。由此我们可以看出，开普勒孜孜不倦抄数据，孜孜不倦做观测，孜孜不倦做大数据的精神是多么的感人！虽然被人家牛顿一个公式就解决了，但是只有具备这样精神的科学家在，人类的科学才能不断进步。

但是到这你还不要高兴的太早，天体运动是个椭圆，它毕竟是算出来的，在现实的世界当中，椭圆其实也是不对的。你想想看，如果你要让天体做一个椭圆运动，这意味着什么？意味着小的绕着大的转，它转一圈，他必须得回到原来的那个位置上，还得保证回到原来那个位置上的时候，速度的方向要跟他上一次离开这个位置的时候完全一致，完全没有偏差，这样才能形成一个闭合的椭圆。但是现实世界当中哪有那么多完美的事情？在运动过程当中，你可能被太阳风刮一下，可能被小行星砸一下，可能有各种各样的阻力，很容易就让你转一圈回来的时候就偏离轨道了。

那么现实世界当中这些天体运动的真实图景是什么样的呢？它的真实运动其实是一个做进动的椭圆。什么叫进动？虽然大致上来讲它是个椭圆，但是它转回去的时候，转不回原来那一点。当它转到跟原来那点比较接近的位置的时候，会继续走一个新的椭圆出来，两个椭圆中间有一点偏差。然后他就这样一圈一圈地转，最终会转出一个花瓣型。

这个就叫做进动，英文叫precession。总的来说它还是个椭圆，但它跟椭圆有一点偏差，每转一圈回不到原来的位置，这个才是真实世界里天体运动的轨迹。

你总结一下，这一集我们讲了天体运动的轨迹大概是什么样的？总的来说它是一个做进动的椭圆，为什么会这样？本质上是因为通过万有引力的计算，你会发现理想的天体运动应该是一个椭圆，但是由于现实世界没有那么完美，它转不回去。宏观世界就没有完美的东西，当然以后我们会讲到微观世界，微观视界的东西其实都是完美的。

最后我要来考考你，用我们今天学到的天体运动是一个椭圆的知识，请你尝试回答一下，你觉得为什么彗星的轨道会那么奇特？彗星为什么出来一下又消失了，然后过个几十年又回来了？你觉得它的轨道会不会是一个例外？非常期待看到你的回复。