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征文大赛|开普勒——天空立法者

( 2020-12-29 ) 来源:中国科学技术大学网络科普

经过层层筛选,石头科普工作室秋季征文大赛终于进入了大众评审环节!

在这个环节中,我们将每天发布一篇最终入选的合规稿件,交由各位观众来进行线上赏评打分!投票打分环节将出现在文章末尾,请选择最符合你心中评判的选项吧~

大众评审分数将占最终分数的50%!请各位积极投出自己宝贵的一票哦~

另:为保证本次大赛的公平,所有入选稿件将不做任何修改,并使用统一模板进行美编。

今天的稿件是由知行合一同学为大家带来的《开普勒——天空立法者》,请各位看完后不要忘记投票哦~

在高中物理课本《万有引力与航天》一章我们初次接触到一位著名的天文学家——约翰尼斯-开普勒。他的生命共持续了59年(1571~1630),但在这短短的59年里,他在天文学方面做出了不可磨灭的贡献!他通过研究发现了开普勒三大定律。这三大定律的发现,对整个天文学造成了巨大的影响,不仅彻底否定了之前托勒密地心说,还坚定地支撑了哥白尼的日心说,并对其进行了改进与完善。这为日后人类航天事业的发展打下了坚实的理论基础!(这两大学说后面会介绍)

1571年开普勒生于德国威尔,他从小因疾病导致身体羸弱,视力不佳(这严重影响了他以后对天体的观察),而且他的家庭贫困。然而,这些并未阻挡这位天才前进的步伐,他凭借优异的成绩获得奖学金,以此供来自己上学。在年仅16岁时,他便进入德国蒂宾根大学学习数学、神学、哲学等,由于当时人们普遍相信托勒密的地心说,人云亦云的情况下,当时他对地心说也一度深信不疑。但凭借扎实的数学功底,他想通过自己的数学方法来表达自己的想法,于是不久他出版了他的第一部著作《宇宙的秘密》,在这本书中,他利用正四面体、正方体、正八面体、正12面体、正20面体及六个球体嵌套起来,从而解释各行星的哥白尼轨道,令人惊奇的是,这方案误差竟然不超过5%!(由于世界上只有五种正多面体,即以上所列的,所以开普勒认为,他的解释应该就是真理,事实结果是这是错的)。尽管这一纯粹的几何型宇宙构想并没有什么实际意义,但却充分彰显了他的数学才华,于是他终究是遇到了自己的伯乐——第谷。第谷在看完他的处女作后,十分欣赏他的数学才华,于是邀请他来布拉格天文台担任自己的助手。可不幸的是一年后第谷因病逝世,第谷在临终前,希望开普勒能继承他的事业,于是把他20多年来观测的有关各类天体的数据全部交给了开普勒,(估计有好几大麻袋)让他寻求其中的规律。面对这无尽的数据,在他那个没有计算机的时代,只有靠人力笔算来找到其中的规律,这好比大海捞针,十分困难(因为有关天体的数据一般比较大)。可真理就隐藏在这堆数据当中!怀着自己对天文方面的兴趣和热情以及对追求真理的渴望,开普勒毅然接下了这份重任。

在介绍开普勒的研究历程之前,为便于大家理解,先介绍先前托勒密和哥白尼的学说。托勒密学说(古希腊时代地心说):一,地球位于宇宙中心静止不动。二,每个行星都在一个称为“本轮”的圆形轨道上做匀速转动,本轮中心在绕称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动,但地球不是均轮中心,而是同圆心有一段距离。(还有两条因字数限制不再列出,大家自己去查)

哥白尼学说(日心说):太阳是不动的,而且在宇宙中心,地球及其它行星绕太阳转动,只有月亮环绕地球转动。(还有两条因字数限制,故不列出,大家可以自己去看)由于第谷生前对火星的观测最多,所以得到的有关火星的资料数据最多。开普勒于是就从火星开始研究,起先他仍按照传统观念假设火星进行匀速圆周运动,但是用正圆编制火星运行表,火星总是出轨,于是他便将正圆修改为偏心圆,在进行了无数次试验后,他找到了与事实较为符合的方案,可照这个方法预测卫星的位置与第谷观测得到的数据不符,产生了八角分的误差(几乎可忽略不计,这相当于秒针瞬间转过的角度)可开普勒始终坚持事实。最终他放弃圆轨道,将火星轨道确定为椭圆轨道,此外他还用三角定点法测出了地球也是椭圆轨道。而以椭圆轨道计算得到的结果与观测值有了相当好的契合。开普勒经过总结后,整理出了第一条定律,也就是开普勒第一定律:每一行星沿一个椭圆轨道环绕太阳,而椭圆轨道的一个焦点上。

开普勒第二定律的发现几乎与第一定律的是同时的,前面已经提到开普勒的数学能力非常强,在这浩如烟海的数据里,他利用自己高超的数学计算能力,发现了开普勒第二定律也叫面积定律(其实就是角动量守恒的一种表现形式):从太阳到行星所连接的直线在相等的时间内扫过同等面积。

再之后,他通过日以继日数学计算,发现了开普勒第三定律。得到这条定律十分不容易(1609年开普勒发表第一、二一定律,而第三定律发表于1619年,他花了十年!)第三定律内容是:所有行星绕太阳一周的恒星时间(T)的平方与它们轨道半长轴(a)的立方成比例。

开普勒在发现这三大神奇宇宙奥秘后,当之无愧被大家公认为“天空立法者”。之后开普勒利用自己的研究成功的预言了水星、金星凌日现象。除了天文方面的成就,开普勒在光学,数学方面也卓有成就(因主题限制故不做过多阐述,大家可以自己去查)但开普勒一生不足之处在于始终未解决行星绕太阳运动原因,这问题被后来的牛顿解决,即牛顿用万有引力定律解决了开普勒生前没解决的问题。牛顿曾说他的成功源于站在巨人肩膀上,显然开普勒就是这其中巨人之一了!

小结:开普勒虽一生遭遇挫折,但这些均未阻挡他对科学真理的追求。在追求真理的路上,他尽管也受到固有思想的束缚,但他坚持客观事实,用坚持不懈的努力带给了大家宇宙的真理。此外开普勒还有敢于挑战权威的勇气,他敢于推陈出新。这些流露在他身上的高贵品质是值得我们后代人仔细品味、认真学习的。

(责任编辑:杨玉露

(版权说明,转载自:石头科普公众号)


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