082【人类第06课】开普勒：行星运动定律

前面我们讲过伽利略，也讲过哥白尼。今天呢我们要谈一谈开普勒。当然的话，我们可以把哥白尼、伽利略、开普勒、第谷这四个人叫做文艺复兴之后的现代物理学四大贤人。那么这个四大贤人呢当然不是甜咸的咸，是这个贤惠的贤，贤良的贤。

那么第一大贤人呢一定是哥白尼，他是年纪最大的，也就是说他出生最早，在1473年；那么老二的话呢就应该是第谷了，那么对第谷呢我们前面谈过，未来呢我们还要专门有一期谈，他是出生于呢1546年；那可能出乎大家意料的老三不是开普勒，不是我们今天的主角。老三是伽利略，他比开普勒大七岁，出生于1564年。当然我们不用说由于开普勒比伽利略小七岁，因此呢他出生在1571年。

说起开普勒呢，我们不知道啊，一般认为他是第谷的学生助手。但是其实呢第谷可能活着的时候是不承认开普勒是他的学生和助手的，只是给他打工的。而且据说第谷在活着的时候很多仪器都不让开普勒接近，他的观测资料呢，就是第谷获得的很多很多观测资料呢都不愿意给开普勒看，当然第谷去世之后，开普勒接替了他的位置。也是过了一段时间啊，经过这个当时的这个官方正式认定来接替啊第谷做皇家天文学家，这个时候呢开普勒才有机会把这个第谷的过去的观测资料翻出来，特别是关于几大行星的五大行星的观测资料翻出来，终于呢，总结了他的著名的三定律，我们重复一下啊什么是开普勒的行星运动的三大定律，因为这定律呢在现代物理学史上起到至关重要的作用，它启发了牛顿发现了万有引力，当然，同时呢他非常确凿无疑的支持了哥白尼的日心说。这三大定律是什么呢？

就是几大行星呢都是绕着太阳运动。第一大定律是说这些运动呢都是椭圆轨道，非常重要，因为以前呢都认为要么就是啊行星绕着太阳以圆周运动，要么就是行星绕着地球已非常复杂的方式，什么君伦啊本能啊诸如此类的方式叠加起来运动，但是开普勒发现，其实第一争议是说这个运动非常简单，就是椭圆轨道，而且太阳位于这个椭圆轨道的焦点上。我们知道椭圆轨道通常有两个焦点，如果是圆的话，当然就是合并成一个圆心，啊如果是比较扁的椭圆，呢他有两个焦点，其中一个焦点呢就是太阳，就是开普勒定律的第一大定律。

第二大定律呢是说在单位时间里面行星扫过这个椭圆的面积，啊如果以太阳为为中心，我们画出来这个这个一个年限就是从行星画的太阳一个连线，这个年线扫过的面积呢是在单位时间里面的，都是相等的，不管这个行星在这个轨道什么位置上，那么这是开普勒第二定律；那么第三定律呢是关于啊行星运动的周期和行星运动的轨道的长轴的长度，那么这第三大定律可以这么说，啊就是它的公转周期的平方与这个长轴的长度的立方成正比，那么有了这三大定律，牛顿在日后呢就能反推出来这个牛顿有引力定律。

那么说到开普勒，呢我们必须要交代一下他的这个生平，他是1571年出生的，我们前面谈过出生在图屯堡啊一个小镇上，最后呢也在图登堡去世的啊啊官方呢我们可以认为开普勒是德国的杰出天文学家物理学家和数学，啊尽管呢他接的班呢是一个丹麦的天文学家第谷。1588年，很早啊也就是17岁，他就获得学士学位了，他就读于图宾根大学，好像那个时候啊大家都是神通，不知道什么原因啊。三年之后呢就获得了硕士学位，也就是在他刚满20岁的时候就获得硕士学位。然后呢在这个大学也就是在图宾根大学学习期间，呢他就听说了日心说，而且呢他坚信内心说是对的，正是因为这个信念，呢使得他在第谷的资料里面呢总结出来这个非常美妙的开普勒三大定律。

在图宾根大学毕业之后呢，开普勒就跑到一个研究院做了几年教授，在这个期间呢他完成了他第一部天文学著作，那个时候呢也只是一五96年，他仅仅25岁，啊我们现在25岁，呢真的是什么都不懂，啊什么都做不出来，可是那个时候呢它已经写了一本书了，之后呢呃第谷呢就邀请到他去布拉格附近的天文台给自己当助手，其实就是给他打杂，那么开普勒就接受了这个邀请，在1600年呢就跑到那里这个去做做手了，可是不久呢，也就是第二年1601年帝国就去世了，尽管它们相处了仅仅一年，啊所以呢也没多少时间熟悉，而且我前面说过第谷呢是不让开普勒来接触它的观测资料的，但是不久神圣罗马帝国的路到皇帝阿鲁道夫就任命它接替第谷作为一个皇家数学家，不是皇家天文学家叫皇家数学家，怪怪的这个名字。然后开普勒，就在后面就是就是他的一生，之后啊就一直就是以这个皇家数学家这个名头来做工作，作为低谷的正式的接班人，它认真地研究了低谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录，然后呢就总结出开普勒三定律。

有意思的事，啊就是在1600年的时候啊开不了29岁的时候啊它还出版了这个人类有史以来第一部科幻小说，这个科幻小说的名字呢叫《梦游》，这个小说呢是讲的什么呢？是讲人类探月，而且他还想像那个时候，尽管并没有万有引力这种概念，他还想象到在月亮和地球之间有个平衡点，这个点呢更加靠近月亮，就是一旦呢当人类行到这个点的时候呢就可以自由自然的像月亮下滑，尽管开不了，那个时候根本不知道有望有有万有引力存在，啊他就想到这么一个非常美妙的旅行方法，就是把人类发射到那个平衡点，然后呢再到那个平衡点呢，就是自然的滑向月球。

这本书里面呢他还谈到了很多其他的东西，啊像喷气推进哪呃我刚才说的这个平衡点也就是零重力状态呀，其实那个时候什么零重力别说零重力状态了，就是重力这个概念都没有，而且他还想到轨道惯性呢太空服啊诸如此类的。我们现在完全无法想象在400多年前呢，这个开普勒是怎么开脑洞想出这些高科技成果的，啊一定太神了，也许呢这个开普勒，因为熟悉这个毕达哥拉斯和古希腊神话，呢啊也许就构造出来这个一个奇妙的小说。

嗯啊在开普勒对运动性质的研究之后，呢当然我们说这个后来牛顿呢就证明了在万有引力，这个如果万有引力跟距离平方成反比，那么就可以倒出来。这个新型的轨道是椭圆，而且呢这个椭圆的焦点之一呢就是太阳，当然这个牛顿还证明了月亮绕地球呢也是以这种方式行进的。

接下来呢我们就谈一谈这个关于开普勒的八卦。首先呢开普勒呢家里呢比较穷，他跟帝国不一样。

啊D股市出生的就是在一个非常这个富裕的单卖家庭，而开普勒呢家里比较穷，但是呢开普勒，后来就是因为他少年得志嘛很快的接替了这个第谷，他呢啊就很快就是尽管家庭背景普通，后来还是混的不错的，特别是呢他成为当时这个占星学的一个领导人物。因为这占星学在上流社会影响很大，而且呢在文艺复兴之后啊就是突然出现了占星学新学的第二个黄金时代，啊第一个当然就是希腊化时代，这个呢我们可能没有机会仔细讲，那么在文艺复兴之后出现了这个占星学的第二个黄金时代呢就有两个特点，第一个呢是，王公贵族上流社会人物呢普遍喜欢占星学，普遍沉迷迟到啊，国王也好，贵族也好，什么伯爵呀什么男爵啊都都都都喜欢这些东西。

第二呢就出现了将第一流天文学家与第一流占星学家呢融一身的代表人物啊。在文艺复兴时期的代表人物就是第谷，太薄了，当然了，哥白尼呢啊不能算，因为哥白尼是个医生。比如说在意大利啊每个君王的宫廷里面几乎都有占星学家充当顾问，为他们的大小事务出谋划策。啊今天要不要做这件事，啊明天要不要作践这件事，啊甚至呢在政治上在这个政治的政策上啊都会被占星学影响，特别是那种这个罗马教皇啊更加相信这个占星学，我觉得现在跟某些这个国家的一些领导人很类似，就说这个某个宝岛的领导人啊在当选之前啊当选之后都要去求神拜佛的那开普勒确确实实把占星学呢当做一门实实在在的一个经验性的科学，就是跟他这个研究行星一样，啊它做了好多关于累当时的重要人物的天宫图，啊就是他们的命运图。

啊推算他们出生时的天体的位置，记录它们生活中的事件。总之呢他啊我想为这些人积累更多数据，来积累一些实验的数据。啊就像它研究这个占星学跟它研究这个行星一模一样，啊真的通过数据，然后想推导出来一些规律啊当然开普勒，呢同时呢它会也也会来研究它自己。

比如说他出生日期是在1571年12月27日下午2点半，它妈妈怀上它的时间呢它都能推演出来它用它的天宫图推演出来呢是1571年5月16号凌晨4:37很深的一件事，这个呢呃你们算算，啊如果他妈是5月16号怀上他的，然后12月27日生下他，仅仅过了七个月，它是一个早产儿，这个也是很奇怪的一件事儿开播了，对占星学呢如此专注研究，呢其实也不是不务正业，它觉得占星学里面包括了它对宇宙神秘的思考，啊他觉得季节的变化，呀人体的这个这个律动啊啊都是跟这个宇宙唉相关的，接着呢我们我们讲他的一个第二个故事，这个第二个故事呢就是关于回拉回来关于当时知道的信心啊极大信心水星、金星、地球、木星、火星这个这这五大行星，啊那个时候呢他就想解释这个这些椭圆或者这个非常接近圆的椭圆的这个笨劲，啊这个半斤之比啊确实那个时候可以算出来，那么他想解释这些半径之比，有一天呢它就来了灵感，它觉得唉元的嘞接正三角形里面再放一个内切圆，啊这不是有了两个圆嘛对吧？你画一个正三角形外面有一个外接圆，里面有各类千元，两个圆，这两个圆的比例呢正好与当时的两个行星轨道的半径比例差不多，唉他觉得这很有道理，啊我是不是能接下来把所有的五个行星之间的这个距离都按照这个规则来确定下来。

呢于是他用更多的内切圆和外接圆来试图解释这个五个行星的距离，但是结果和实际观测的数据完全不符，他想了很长时间，突然想到虽然呢这个几个行星都在黄道面上运动，好像是个平面的，但是我们的空间其实是三维的，如果我们把天体放在三维空间来想，呢那应当就不是这个内切圆和外切外接圆，啊而且应当是球球状的，那么这样呢就会涉及到多面体，但当时呢当然我们知道正好这个世界上呢多面体只有五个，这样呢内外就是内外交接的正多面体之家呢就可以放五个球面，这样呢正好可以解释天上为什么有五个星星，至于这个这些行星的轨道之间的比例，他总可以设计一个不同的多面体的那个组合来解释，而在开普勒的这个天文学著作里面，他还真的发表了它这个研究的结果。在1957年的时候，他在图宾根发表了它的研究成果，取名为神秘宇宙。当然，今天我们知道开普勒的解释是完全错误的，但是这种对科学的执着的追求呢还是值得我们今天的人学习。