封面說(shuō)明

今年是偉大的德國(guó)天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開(kāi)普勒誕辰450周年。本刊特以他的肖像和以他的名字命名的描述太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)的三大定律作為封面，致以敬意。

約翰尼斯·開(kāi)普勒(Johannes Kepler)1571年12月27日生于符騰堡威爾德斯達(dá)特鎮(zhèn)。他從小體弱多病，但天性聰慧。受符騰堡公國(guó)的君主實(shí)行的開(kāi)明政策下的獎(jiǎng)學(xué)金資助，他16歲時(shí)開(kāi)始在蒂賓根大學(xué)學(xué)習(xí)，并有幸在M.麥斯特林教授指導(dǎo)下研習(xí)天文。在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他了解到并接受了日心說(shuō)。開(kāi)普勒于1588年獲得學(xué)士學(xué)位，1591年獲文學(xué)碩士學(xué)位。當(dāng)時(shí)他想當(dāng)一名路德教的牧師，所以又留校學(xué)習(xí)神學(xué)。1594年他前往奧地利的格拉茨，在路德教會(huì)高級(jí)中學(xué)任數(shù)學(xué)和天文學(xué)教師。1600年開(kāi)普勒到達(dá)布拉格，任第谷的助手，并開(kāi)始研究火星的運(yùn)動(dòng)。次年第谷去世，他繼任為魯?shù)婪蚨赖挠皵?shù)學(xué)家。

通過(guò)對(duì)第谷留下的大量觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行長(zhǎng)期的分析，開(kāi)普勒于1609年發(fā)現(xiàn)，若假設(shè)行星的運(yùn)行軌道為橢圓的話(huà)，則可以對(duì)第谷留下的觀(guān)測(cè)資料做出合理的解釋。由此他得出了“開(kāi)普勒第一定律”，即火星是沿著橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行的，而太陽(yáng)則處于兩個(gè)焦點(diǎn)之一的位置。在當(dāng)時(shí)，這一觀(guān)點(diǎn)是革命性的，需要提出者有擺脫傳統(tǒng)觀(guān)念的智慧和毅力。在開(kāi)普勒之前，所有的天文學(xué)家，包括哥白尼和伽利略都堅(jiān)持亞里士多德和畢達(dá)哥拉斯的觀(guān)點(diǎn)，即圓是完美的幾何圖形，故一切天體的運(yùn)動(dòng)軌跡都應(yīng)該是一個(gè)圓周。進(jìn)一步，開(kāi)普勒又指出，火星的運(yùn)行速率是不均勻的：當(dāng)它離太陽(yáng)較近時(shí)速率較大，而離太陽(yáng)遠(yuǎn)時(shí)則速率較小。但是從任何一個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，太陽(yáng)中心到行星中心的連線(xiàn)在相等的時(shí)間所掃過(guò)的面積是相等的。這就是開(kāi)普勒第二定律(面積定律)。這兩條定律刊布在1609年出版的《新天文學(xué)》(又名《論火星的運(yùn)動(dòng)》)一書(shū)中。同時(shí)，開(kāi)普勒還指出，這兩個(gè)定律同樣適用于其他行星和月球的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，在1619年出版的《宇宙諧和論》一書(shū)中，開(kāi)普勒還公布了他所發(fā)現(xiàn)的行星運(yùn)動(dòng)第三定律，即繞以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行的所有行星，其各自橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方與周期的平方之比是一個(gè)常數(shù)。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。1630年，開(kāi)普勒在巴伐利亞州雷根斯堡市去世，終年59歲，葬于拉提斯本的圣彼得教堂。

眾所周知，開(kāi)普勒的工作對(duì)于牛頓的影響是深遠(yuǎn)的。特別是牛頓的萬(wàn)有引力公式完全是建立在開(kāi)普勒第三定律的基礎(chǔ)上的。為此有的學(xué)者，例如愛(ài)德華.泰勒(氫彈之父)寫(xiě)道:“In my opinion, the man who really made the difference was Kepler. Without his ellipses, human thought about the heavens may not have been clarified for many more years”[4]。毋庸置疑的是，開(kāi)普勒對(duì)于唯物論的最后建立有著不可替代的影響。

[1] 《中國(guó)大百科全書(shū)》，第二版簡(jiǎn)明版，《中國(guó)大百科全書(shū)》出版社，2011年11月。

[2] 《不列顛百科全書(shū)，國(guó)際中文版》 ，修訂版，《中國(guó)大百科全書(shū)》出版社，2007年4月第一版。

[3] This month in physics history, APSNEWS,vol.23,No.7,July 2014,p2-3.

[4] Edward Teller著《Conversations on the Dark Secrets of Physics》,Plenum Press, 1991, 66頁(yè)。