星空探索者

“星学之王” 　　英国大科学家牛顿说过一句至理名言：“如果我所见的比笛卡儿要远一点，那是因为我是站在巨人们的肩膀上的缘故。”在天文学史上，丹麦天文学家第谷就是这样一位典型的“垫肩巨人”。他被后人正确地誉为“近代天文学的始祖”和“星学之王”，而他一生的主要工作则是数十年如一日地最精确地进行天文观测，不仅为验证前人的科学理论作出了重大贡献，更为后继者进一步攀登科学高峰创造了条件，铺平了道路。 　　第谷比布鲁诺早两年出生在丹麦斯堪尼亚一个贵族家庭，兄弟姊妹共10人，他老大。不过教养他的不是他的父亲，而是他的伯父。13岁那年第谷的伯父将他送进哥本哈根大学学习哲学和修辞学，无奈第谷好动爱玩，对学校的功课毫无兴趣。 　　14岁那年，也就是1560年8月21日第谷遇到了一次日食，这使他对天文学产生了浓厚的兴趣。使他惊奇万分的倒不是种少见的天象，而是天文学家能够如此准确地对它进行预报。从此他爱上了天文学和数学，并找来了托勒密的《天文学大成》加以研究，希望自己也能预知这类天象。 　　可是，第谷的伯父不喜欢科学这玩意儿，他希望第谷将来成为有钱有势的律师。1562年他又把第谷送到莱比锡大学去学习法律，并派随从进行监督。第谷呢？乖巧而又勤奋，总是骗过随从，等随从睡着以后，再从床上爬起来，一连几个钟头观察星座或者研究数学。 　　1563年，17岁的第谷专心观测行星，特别对木星和土星进行了仔细的观测。他发现当时通用的星表有较大的误差，这使第谷下决心要修正现有星表的差错，为此，他告诫自己在观测星空时必须力求非常精确。 　　但是，对第谷的一生最具有决定性影响的，是 1572年突然出现在天空的一颗超新星。这一年的11月11日黄昏，第谷从实验室里出来，抬头一望，惊讶地发现天顶附近的仙后座出现一颗他从未见过的亮星 （第谷从小观测星空，对星空中星星的位置可以说了如指掌）。他简直不敢相信自己的眼睛，于是他问马车夫，马车夫说他也看见了——他们看见的是一颗过去从未见过的新星。 　　怀着极大的好奇心，第谷对他发现的这颗新星进行了精细的观测，从1572年11日开始到1574年2月结束，持续观测了1年零3个月：该星先是越来越亮，然后慢慢暗下来，最后完全不见。对于新星的颜色和亮度等等的变化，第谷都仔细作了记录并认真进行了研究，最后他写成《论新星》一书。应该说，对于这颗超新星，中国、朝鲜以至欧洲都有人发现并作了记述，有的比第谷发现还早，但记录和研究却远不如第谷详细和深入。 　　第谷首先精确地测定了这颗新星同仙后座中其他9颗恒星的相对位置，然后观察该星相对于其他恒星没有过任何方位的移动，这说明这颗新星离开我们要比月亮、太阳、行星都远得多，是位于“恒星天”上的恒星。可这又与亚里士多德所说的“天不变”的原则相矛盾。由此可见，新星的发现动摇了旧天文学的基础，对确立新天文学即哥白尼学说是有利的。 　　尊重科学、尊重人才的丹麦王腓特烈二世十分赞赏第谷的才华，他在1576年聘任第谷为皇室天文学家，给予优厚待遇；5月又发布敕令，把靠近哥本哈根的一个小岛——汶岛作为封地赐给第谷，并拨巨款供他建造天文台。如鱼得水的第谷全力以赴，同年就开始亲自指导建造“天堡”，以后又在“天堡”以南建造了一个“星堡”。“天堡”和“星堡”都配备有当时最先进的天文观测仪器，其中相当一部分是由第谷自己设计制造的。第谷从此开始了他专职天文观测的生涯，在这里观天测天达20年之久，取得了许多研究成果，得到了不少重要发现。 　　举个例子：1577年11月13日，第谷观测到一颗大彗星，在这颗彗星于次年1月底消失以前，他始终不懈地跟踪观测，并逐日记录它的位置、颜色、亮度和彗尾的方向等。1588年，他写成《最新天象一览》一书。根据当时流特的亚里士多德的观点，像彗星这类来无影、去无踪怪物，根本不可能是天体而只能是发生在地球大气中的现象。第谷在书中首次批驳了这种传统的错误见解，他的观测表明，彗星是天界的产物，运行轨道远在月球运行轨道之外，在各行星所在的空间穿越行星天层绕着太阳运行，这就证明，亚里士多德地心 （同心球）体系中所说的各行星的水晶球天层里根本不存在的。 　　第谷确实是一位天才的天文观测大师。他那时还没有望远镜，有的只是一双锐利的眼睛和一些现在看来是十分简陋的观测仪器。为了提高观测精度，第谷创制了新的仪器，改进了旧的仪器，还采用了一些新的测量方法（比如度盘刻度采用的横断点分弧法）。这样就使他的观测精度不仅远远超过了前人，也为他同时代的人望尘莫及。根据他的观测资料所编制的一份包含1000颗星的星表，定位精度在1分到2分之间，是望远镜问世以前定位精度最高的星表，直到现在还有使用价值。 　　遗憾的是，第谷虽然是一位超群的观测家，却不是一位高明的理论家，他那么长时间精确地观测了行星的运动，却始终没有成为哥白尼学说的坚定拥护者，这是很让人费解的。也许是宗教的原因，也可能是想象力方面的欠缺，尽管他很崇拜哥白尼，却总也不肯放弃地球应该处在宇宙中心的想法。他在1588年正式公布的自己的宇宙体系中，地球位于宇宙的中心固定不动，月球在离地球不太远的轨道上绕地球旋转，五大行星各沿圆形轨道围着太阳运行，而太阳又带着这五大行星环绕地球转动。这是一种典型的半日心说半地心说的混合体系，可以看作是人类的认识从托勒密的地心体系发展到哥白尼的日心体系过程中的一个插曲。总之，作为一位观测者，第谷的贡献比哥白尼更大，虽然第谷并不赞成哥白尼的理论，但他对这一理论的最终胜利作出了重大贡献。 　　第谷的晚年可不像他在汶岛时那么风光。自从腓特烈二世去世以后，由于同僚的嫉妒，当权者的作梗，还有继位的丹麦新国王不支持他的工作，不断削减拨款，使他不得不于1597年离开汶岛，避居哥本哈根。后来幸亏得到以奖励天文学研究著称的奥国君主鲁道夫二世的支持，在布拉格为他建造了天文台，并给他以优厚的俸禄，第谷才于1599年来到布拉格，并且把汶岛上的一些仪器也运到了布拉格。 　　1600年，第谷和开普勒在布拉格见面，从此两人合作开始了新的工作计划。可惜第二年第谷就与世长辞了。两位科学家的相遇是天文学史上的一大幸事：对第谷来说是找到了一位他为之奋斗了一生的事业的卓越继承者，他把他在长期观测行星运动中所积累起来的极其丰富、准确的观测资料，于临终前夕毫无保留地交给了开普勒；而青年开普勒则是在贫病交加之际得到了恩师第谷的提携和帮助，并在第谷工作的基础上发现了行星运动三定律，成为一个名垂青史的“天空立法者”。 　　“天空立法者” 　　人们常把“安贫乐道”视为一种美德，并认为历史上有许多科学家都是 　　“安贫乐道”的。不过这“贫”恐怕也是有个界限，像开普勒这样一位几乎终身与贫病为伍而又在天文学上作出了伟大贡献的科学家，在科学史上大概是绝无仅有的。他的一生是单枪匹马艰苦奋斗的一生。第谷的背后有国王，伽利略的背后有公爵，牛顿的背后有政府，可开普勒的背后只有疾病和贫困。他靠自己的奋斗树立了一座高耸入云的丰碑，并在那上面宣布“为天空立法”，从而完善、巩固了哥白尼的理论和为天体力学奠定了基础。 　　开普勒1571年出生于魏尔一个贫苦人家。他在母亲腹中只呆了7个月便出世了，可谓先天不足；5岁时一场天花几乎使他夭亡，接着猩红热又严重损害了他的双眼。很多人都有幸福的童年，可开普勒的童年是贫病交加，在死亡线上挣扎。 　　幸好他的智力是健全的。开普勒读书用功，成绩很好。12岁那年他进修道院求学，在符腾堡学习德语和拉丁语。1588年入蒂宾根大学，在那里首次接触哥白尼学说并很快成为这一学说的忠实拥护者。1591年开普勒获文学硕士学位，以后又学了3年神学。1594年他去奥地利格拉茨的新教神学院担任数学教师，从此开始了他的天文学研究。 　　同哥白尼一样，开普勒也深受古希腊毕达哥拉斯学派的影响，认为上帝是按照一个简单的图案来创造世界的，只要用智慧和耐心去寻求，简单的宇宙结构图案就能找到。1596年，开普勒出版了《宇宙的神秘》一书，书中第一次公布了他对行星轨道和宇宙结构的设想。他以哥白尼的日心体系为基本框架，经过4年的辛勤探索和反复计算，巧妙地用5种正多面体的外接圆和内切圆表示6颗行星轨道大小的相互关系。自然界的正多面体只能有5种（正四面体、止六面体、正八面体、正十二面体、正二十四面体），它们叠在一起能构成的外接圆和内切圆是6个，而太阳系里的行星也正好只有6颗，“珠联璧合”，“天衣无缝”，这不正是造物主伟大智慧的表现吗？但是开普勒错了，这完全是一种偶然的巧合，现在我们谁都知道太阳系里至少有九大行星。当然，你不要忘了，开普勒当时还是一个25岁的青年！ 　　在这本书里，开普勒还第一次探讨了行星运动的物理原因。他认为物体除非不断受力，否则就会静止不动。开普勒提出是太阳不断地产生着一种驱动力在驱赶行星沿着各自的轨道环绕太阳运动，离太阳远的行星，受太阳的驱动力小，在轨道上运动就慢，绕太阳旋转一周所需的时间 （周期）也长；离太阳近的行星，情况正好相反。尽管开普勒的这种解释并不正确，但这是人类对行星运动物理原因的第一次探索，是万有引力定律问世以前最有开拓性的思想。 　　第谷正是由于看到这本《宇宙的神秘》，使他对这位醉心于天文研究的青年学者刮目相看，并把开普勒邀请到布拉格当自己的助手。两个人走到一起，一个是满头银发，目光敏锐，一个是身体虚弱，高度近视；一个爱看，最精确地观测了许多天象，一个爱想，整天思索宇宙空间天体运动的规律；一个做准备，打基础，一个完成工作，在牢固的基础上盖起科学大厦。 　　这一段时间也许是开普勒一生中最欢愉的时间。第二年第谷去世，开普勒就成了第谷未竟事业的继承人。 　　开普勒的第一项工作是设法利用第谷的遗赠给他的大量火星观测资料来研究火星运动的规律。因为火星运动时地球也在运动，所以研究火星运动首先就得弄清地球本身的运动。同前人一样，开普勒先假定地球和火星都绕着太阳作偏心圆运动，然后利用第谷的火星观测资料来推算地球运动的圆轨道以及地球在这个圆轨道上的运动速度。他发现，地球在偏心圆轨道上运动的速度是变化的，大体说来，在靠近太阳的近日点附近时运动得快，在离太阳较远的远日点附近时运动得慢。他得出一个规律：在相同时间里，地球到太阳的连线扫过相等的面积。这个定律推广到所有行星，便是开普勒发现的行星运动第二定律。 　　地球运动轨道求出后，开普勒又用第谷的10个火星观测数据来推求火星的运动的偏心圆轨道，但当他用更多的观测数据来检验这一轨道时，却总是发现有相当于月球视直径（约0.5度）1/4（约8分）的偏差。是第谷的观测有误差吗？不可能，开普勒完全相信第谷的观测。看来问题是出在一开始所假定的火星运动轨道的形状上，它不应该是正圆形，当然也不是偏心圆。经过反复的假设、计算，最后他发现要使理论推算与第谷大量准确的观测数据相吻合，就必须假定火星的运行轨道是一个椭圆，而太阳位于其中的一个焦点上。接着他又推而广之，认定所有行星的轨道都是像火星轨道一样的椭圆形，这就是行星运动的第一定律。从这里我们也可以领悟到，精确的测量对于科学的发现是多么重要，正如开普勒本人所说：“正是这8分的差值引起了天文学的全部革新。” 　　行星运动的第一、第二定律第一次正式发表在开普勒1609年出版的《新天文学》一书中。 　　开普勒信奉毕达哥拉斯关于宇宙和谐的观念，相信各颗行星离太阳的距离与它们绕太阳公转的周期之间存在着某种简单的关系。他早先研究过这种关系，但没有得到精确的结果，第一、第二定律的发现激励着他继续深入研究。他没有现成的理论作指导，有的只有许许多多的数据。他把这些数据贴在自己的身边，以便随时可以看到，随时可以进行思考和计算。在没有计算机的时代，开普勒以罕见的毅力，进行了多年繁琐、复杂、困难而又枯燥的计算，终于发现了行星运动第三定律：任何两颗行星公转周期的平方同轨道长半径的立方成正比。1619年，开普勒出版的《宇宙谐和论》一书正式公布了这一重大发现。 　　托勒密用80多个本轮、均轮来描述他的地心体系。哥白尼用日心说取代地心说，只是仍需要用30多个圆圈来说明问题。只有开普勒才找到了最简单也是最符合实际的行星体系，仅用7个椭圆便能非常精确地描述和推算行星的运动。这样，开普勒用自己发现的行星运动三定律进一步从科学上证实了太阳系确实是一个统一的整体，太阳是这个整体的中心，根本不再需要借助于什么本轮和偏心圆。哥白尼的日心体系从此建立在经过严格数学论证的基础上，在科学史上确立了自己巩固的地位。 　　这位德国天文学家对天文学有多方面的贡献，其中编制 《鲁道夫星表》一事尤其值得称道。1601年，第谷弥留之际，曾给开普勒留下遗愿：他一生观测星空，本想编制一种准确的星表留给后人，目标是1000颗星，现在病入膏盲，壮志难酬，希望开普勒以他的宇宙体系为理论依据，应用他毕生积累的观测资料，完成星表的编算工作。第谷还特别交代，为报答鲁道夫二世对天文工作和他本人的关心和支持，这份星表拟取名为《鲁道夫星表》。 　　一旦答应了的事，开普勒就决定克服一切困难去做到。只是由于种种原因，直到1627年，他才完成了编制星表的工作。而且，为了对世人和科学负责，也是为了对自己的恩师负责，《鲁道夫星表》不是以已证明为不正确的第谷混合型宇宙体系为基础，而是以行星运动三定律为核心的开普勒的日心理论为基础编制出来的。正是因为这个缘故，由这个星表推算的行星位置同哥白尼推算的行星位置相比，精度要高出两个数量级。学生终于没有辜负老师的遗愿和期望，在以后的一个多世纪里，《鲁道夫星表》一直被看作是天文学的标准星表。 　　但是，命运对这位伟大的“天空立法者”是极不公正的。开普勒一生坎坷，几乎总是在深受病痛的折磨下从事艰苦的科学研究，而且即使在对人类的科学事业作出了非凡的贡献以后仍然得不到应有的支持。贫穷的阴影更是一直在威胁着他，特别在保护他的皇帝被迫退位以后，皇室长期拖欠他作为一个皇室天文官的薪俸不发，致使他不得不为养家糊口而给有钱有势的人占星卜命。他与同时代的意大利科学家伽俐略曾经是相互支持的莫逆之交，但宗教上的纠纷和麻烦曾使伽俐略不敢与他往来，并拒绝了他想要一架望远镜的要求，最后甚至断绝了书信联系。 　　1630年10月，濒临绝境的开普勒不得不长途跋涉去索取皇室应该给他的那份已经拖欠了很久的薪俸。心力交瘁和贫病交迫的开普勒终于卧床不起，于这一年的11月15日凄凉地离开了人世。