当前位置:主页 > D半生活 >[物理史] 克卜勒的洞见成就了《宇宙的奥秘》 >

[物理史] 克卜勒的洞见成就了《宇宙的奥秘》

   时间: 2020-06-10   来源: D半生活 阅读: 466



(译自APS News ,2014年7月)

[物理史] 克卜勒的洞见成就了《宇宙的奥秘》

1610年,一位艺术家笔下的克卜勒 (Johannes Kepler)

今天我们认为物理学和天文学息息相关,然而在16世纪时并非如此,当时认为物理学是自然哲学,而天文学则与数学和博雅课目有关,帮忙打破此藩篱的科学家就是克卜勒 (Johannes Kepler)。

1571年12月,克卜勒出生在现在德国斯图加特 (Stuttgart) 的西边,祖父曾担任市长,家中有四个小孩,他是老幺。在他出生时,家道已经中落,所以父亲受僱当佣兵贴补家用,在克卜勒5岁时就抛弃家人。他母亲是位精神疗法术士和草药商,在那迷信的年代是危险的职业。

克卜勒因罹患天花,以致双手受创,视力受损,但他自幼即显示出数学才华。6岁时母亲带他到外面看彗星划过夜空,他就爱上了天文学,几年后,他第一次亲眼目睹了月蚀。克卜勒在德国杜宾根大学 (University of Tübingen) 攻读哲学和神学,在那里获得高超占星家的美誉。占星学在当时被公认为是天文学合理的一支,对于星球的运行他则接纳当时相当新的哥白尼日心论的看法。后来,他在格拉兹(Graz)当数学和天文学教师。

1595年7月19日,当克卜勒正讲课说明木星和土星週期性的会合时,他突然悟出了宇宙可能有几何基础。他整理出一个系统,其中5个柏拉图立体(正多面体),即正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体,可以装进球体,然后彼此套叠在一起,这样可以组成 6 层,克卜勒认为这正好对应于当时已知的六个行星(水星、金星、地球、火星、木星和土星)。他甚至整理出初步的公式,将每个行星轨道的大小,及完成公转太阳一周所需的时间连结在一起,不过后来他放弃此公式,而採用更精确的方式。

这成了他最早期着作之一《宇宙的奥秘》(Mysterium Cosmographicum)的基础,是最早支持刚萌芽的哥白尼日心论的刊物之一。他出版此书的辛劳几乎让他结束了和一位富有年轻寡妇米勒 (Barbara Müller) 的婚约。虽然克卜勒出生高贵,但因为这位天文学家实在太穷了,女方父亲起先反对他们的婚姻,最后态度才软化。克卜勒于1597年4月和米勒结婚,但他们的婚姻并没很快乐,米勒于1611年因斑疹热病故。(克卜勒于1613年和胡婷格 (Susanna Reuttinger) 结婚,他的第二次婚姻则是成功多了。)

[物理史] 克卜勒的洞见成就了《宇宙的奥秘》

克卜勒在1596年《宇宙的奥秘》书中太阳系的柏拉图立体模型

《宇宙的奥秘》是一本不凡的科学大作,书中有详尽的一章,设法将圣经和哥白尼的日心说调和一致,但那章节于1596年末要出书时被删除了。此部鉅作确立了他的声望,他寄了几份给几位知名的同行,包括起先严厉批评这位德国科学家的模型的丹麦天文学家布哈赫 (Tycho Brahe)。

克卜勒热切地回覆那些批评,并在想法上更精进。因为布哈赫从他私人的天文台所收集到更精确的观测,资料远比克卜勒所掌握到的多很多,所以克卜勒于1600年初到布拉格拜访他,研究布哈赫有关火星的资料,以检验在《宇宙的奥秘》所提出的理论。隔年,克卜勒与家人都移居到布哈赫的天文台,部分因为他拒绝改信天主教而被驱逐出格拉兹。

之后不久布哈赫即过世,克卜勒继承他成为皇家数学师;他路德教派的信仰见容于布拉格宫庭,而他的职责主要包括提供星象给国王。克卜勒瞧不起大部分的占星术,抛弃它为「恶臭的粪便」,但─那是时代的产物─他认为以科学来探讨可能有益。后来,克卜勒出版了一本书,试着在过度推销占星术和他认为有许多科学家不经思索地拒绝占星术之间,找出中间立场。

布哈赫的观测资料对克卜勒的研究极具价值,克卜勒更扩大研究至光学法则。1604年,他出版了《天文光学》(Astronomiae Pars Optica),有助于奠定现今光学的基础。那些洞见在他研究伽利略所使用新发明的望远镜时很有用,他还设计出改良型的克卜勒模型,採用两个凸透镜,而不是一个凸透镜和一个凹透镜。克卜勒还于1604年10月目睹了一个超新星,是他两年后出版《新星》(De Stella Nova ) 一书的根据。

克卜勒还试着写一些较富想像的文章,在1611年撰写一名为《梦游记》(Somnium ) 的寓言书籍,被视为最早期的科幻小说,因它以月球之旅为中心,推想从其他星球观测到的天文学面貌。

多年后,《梦游记》被用来做为他母亲因巫术受审,要被判监禁14个月的证据,因它描述一位妇女请恶魔帮忙调製药水。(他后来在母亲获判无罪开释后做了修改,为极度缺乏想像力者,将寓言情节写得清晰明暸。)

毫无疑问地,克卜勒最有名的是他的克卜勒行星运动定律 (Laws of Planetary Motion):行星绕着太阳运转在椭圆轨道上(椭圆定律);假如从太阳中心画一虚构的直线到特定的星球,那幺那直线在相等时间内所扫过的面积是相等的(等面积定律);任意两星球週期的平方比与它们和太阳平均距离的立方比是相等的(週期定律)。前两个定律是他的着作《新天文学》(Astronomia Nova ) 的基础,而三个定律全都出现在他最有影响力的着作《哥白尼天文学概要》(the Epitome Astronomiae Copernicanae ) 中。

克卜勒于1630年11月15日去世,几世纪后他的坟墓位置已找不到,然而他为自己写的墓誌铭却流传了下来:

Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras:
Mens coelestis erat, corporis umbra jacet.

昔测天际,今量地影;
心往天飞,身归尘土。


原文刊载于物理双月刊2015年8月号37卷第4期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。


延伸阅读:

上一篇:
下一篇:
猜你喜欢...
相关信息
图文欣赏
精彩推荐 
搞笑百态 
精彩文章

申博太阳城_手机版sunbet二维码|服务百姓生活网|网站地图 sunbet游戏登录口 申博私网放线