开普勒探究天体运行的规律

最初人们认为地球是宇宙的中心，日月星辰都是围绕着地球运转的。16世纪哥白尼提出的“日心说”标志着在人类探究天体运行规律的道路上迈出了革命性的一步。然而受当时欧洲流行的哲学思想的影响，哥白尼认为行星是沿着圆形轨道围绕太阳运动的。半个世纪之后，德国天文学家开普勒才对哥白尼学说的这一错误观点进行了纠正。

1571年开普勒生于德国南部的一个小镇威尔，中学毕业后进入了蒂宾根学院。在那里，他接受了一位名叫麦斯特林的教授的观点。麦斯特林是一个秘密的哥白尼主义者，他时常为开普勒详细讲述行星绕太阳运行方面的知识，使他渐渐成了“日心说”的拥护者。

从蒂宾根学院毕业后，开普勒移居奥地利的格拉茨城，在那里，他教授数学和天文学。他曾寄给第谷一本自己写的天文书，第谷看后非常重视，邀请他一起从事研究工作。1601年，第谷去世后，开普勒利用老师留下的大量观测资料，继续研究火星的运动。

匀速圆周运动是按照传统哲学定义的最为完美和理想的运动。开普勒根据这一点来计算火星在其轨道上的运动位置，经过多次反复计算，其结果总是与第谷的观测结果不一致。开普勒深知第谷一丝不苟的态度，所以，老师的观测数据必定没有问题，误差肯定在于自己的计算方式和过程。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研究，终于觉察到火星并不是按圆形轨道运行的，这与哥白尼所持的观点相矛盾。他耐心、仔细地研究了火星在天球上年复一年的运动，终于发现了自己计算中的错误。原来，行星在太阳附近空间里运行的轨道是椭圆形而非圆形，事实上，圆形只是椭圆形的一个特例。太阳实际上位于椭圆即行星运行轨道的一个焦点上，所以行星在绕太阳作椭圆形运动的轨迹中，存在着离太阳近时的远焦点和离太阳远时的近焦点。这一重要发现是由开普勒首出来的，这也是他研究火星的第一个重要发现。后来人们用“开普勒行星运动第一定律”这个名称来称呼开普勒的这个重要发现。

开普勒受到新发现的巨大鼓舞，开始编制火星运行表，但火星的运行总是和他设计的表格有偏差。经过大约一年的辛勤分析研究工作，他发现了自己计算方法上存在着不可忽略的错误。开普勒最初以为火星的运行是匀速的，因而造成了运算上的错误，而际上火星运行是不匀速的。火星的速度随其离太阳距离的远近而发生变化，离太阳近时，运行的速度就快，而随着它在轨道上离太阳越来越远时，其运行速度便随之减慢。

行星沿椭圆轨道运行的速度受行星与太阳之间的距离远近的影响，并随之发生变化；行星和太阳的连线是行星的向径，它在相等的时间内扫过相等的面积。行星运动的速度通过这一规律得到了说明，这就是著名的“运动第二定律”。此后不久，根据这一发现，开普勒完成了行星运行表的编制工作，工作进行得顺利而迅速。

开普勒于1609年出版了他的《火星之论述》，紧接着，他又对行星公转周期与行星到太阳距离的关系进行了探索。结果发现，离太阳最近的水星，88天绕太阳一周；离太阳远一些的金星公转一周所用的时间长一些；离太阳更远的火星的一年比地球的一年还约长一倍。根据这些发现，开普勒在1619年出版了《宇宙和谐论》一书，并在书中发表了行星运动的第三定律。这一定律的发现和应用，完全改变了当时天文计算的方式和过程，并沿用至今。