探究天体运行的规律

哥白尼的日心说在近代科学发展史上具有重大的革命意义。但由于受到历史条件的限制，这一理论也存在着不可避免的缺点和错误。譬如说，哥白尼认为行星运动的轨道是圆形的，因为轨道应当是完美的，而只有圆形才是最完美的，所以，行星围绕太阳运动的轨道是圆形的。这完全是一种主观猜测，毫无事实根据。大约66年后，德国天文学家开普勒纠正了哥白尼学说中的这一错误观点。

开普勒，1571年生于德国南部的一个叫威尔的小镇，他中学毕业后就考入了蒂宾根学院。在那里，他接受了一位名叫麦斯特林的教授的观点。麦斯特林暗中信奉哥白尼主义，他常将日心说的观点灌输给自己的学生。开普勒来了以后勤奋好学，经常向老师提问，于是引起了麦斯特林的注意，并获得了他的赏识。开普勒和老师的关系非常好，他经常拜访老师，而麦斯特林则时常为开普勒详细讲述行星绕太阳运行方面的知识。这样，开普勒渐渐成了日心说的拥护者，他很钦佩哥白尼的学识和勇气。天体运动看起来杂乱无章，但哥白尼却从中找到了简单明了的规律，这一点尤其令开普勒敬佩。开普勒从蒂宾根学院毕业后，移居奥地利的格拉茨城，他在那里教授天文学和数学。后来，他将自己写的一本天文学著作寄给第谷，第谷看后非常重视，邀请他一起从事天文研究。

1600年，开普勒应邀来到布拉格，同第谷一起研究火星运动。1601年，第谷去世，留下了大量观测资料，开普勒利用这些资料继续研究火星的运动。

按照传统哲学的定义，匀速圆周运动是最为完美和理想的运动。开普勒根据这一观点来计算火星在其运动轨道上的位置。经过无数次计算，其结果总是与第谷的观测结果有出入，至少差8′以上。受条件限制，当时的观察精度不高，因此，这不能算是一个很大的误差。开普勒熟知第谷一丝不苟的研究态度，因此认为老师的观测数据必定没有问题，误差一定是自己的计算问题。他决心找出误差产生的真正原因。

开普勒坚持不懈地潜心分析，终于观察到火星的运行轨道并非圆形，这与哥白尼所持的观点相悖。他细心研究了火星年复一年的运动，终于发现了自己在计算中的错误。原来，行星在太阳附近空间里运行的轨道并非圆形，而是椭圆形。事实上，圆形只是椭圆形的一个特例。太阳实际上位于行星运行的椭圆轨道的一个焦点上，所以在行星绕太阳做椭圆形运动的轨迹中，存在着离太阳远时的近焦点，和离太阳近时的远焦点。这是开普勒研究火星的第一个重要发现，他将其总结为一条定律。后来人们称之为“开普勒行星运动第一定律”。

由于这一新发现，开普勒受到很大鼓舞，开始编制火星运行表。但他设计的表格与实际观测总是存在偏差。经过大约一年时间的艰苦研究之后，他发现自己在计算方法上存在着严重错误。开普勒最初以为火星是匀速运动，实际上火星不是匀速运动的，因而运算是错误的。火星的速度随其离太阳距离的远近而变化，离太阳近时，它运行的速度就快，离太阳越来越远时，其运行速度就逐渐减慢。

行星与太阳之间的距离的远近影响到行星沿椭圆轨道运行的速度；行星和太阳的连线是行星的向径，它在相等的时间内扫过的面积相等。这就是著名的“开普勒行星运动第二定律”。行星运动的速度通过这一规律得到了说明。由于有了这一发现，开普勒很快完成了行星运行表的编制工作，取得了一项巨大成就。

1609年，开普勒出版了专著《火星之论述》，书中专门论述了他所发现的两个行星运动定律。紧接着，他又开始探索行星公转周期与行星到太阳距离的关系。开普勒受到哥白尼创立日心说事迹的启发和鼓励，他想：也许每一颗行星的运动速度都与太阳之间的距离有一种微妙的数学关系。例如，离太阳最近的水星，围绕太阳公转一周需要88天；离太阳远一些的金星公转一周所用的时间也就会长一些；而离太阳更远的火星围绕太阳公转一周所需的时间比地球约长一倍。

开普勒又研究了9年时间，终于总结出了一个新的行星运行规律，这就是在天文学中非常著名的“开普勒行星运动第三定律”。

在1619年出版的《宇宙和谐论》一书中，开普勒发表了他的第三条定律。这一定律的发现和应用，使当时天文计算的方式和过程得到大大改观，现代天文学家在研究双星等天体时仍然会用到开普勒定律。开普勒建立的运算原理和表格形式，为人类探索宇宙之谜创造了有利条件。