為天上出軌立法的大神

來源: 2019-12-25 19:22:07 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (51624 bytes)

1577年,大明的第一宰相張居正被一顆劃破天空的明亮彗星折磨。“時彗星從東南方起,長亙天,人情洶洶,指目居正,至懸謗書通衢。”

當時張居正的父親剛病逝,按照明代禮製,他應回家丁憂守製兩年,而萬曆帝聽從馮保的建議下詔奪情,但是朝中要求他回家盡孝的聲音洶湧不絕,這就是改變曆史的“奪情事件”。關鍵時刻,這顆彗星給了迷信天人感應的守舊派強大的借口,通衢滿街地發傳單,給張居正扣上貪權不孝的帽子。

 

那一年,丹麥才華橫溢的天文學家第穀·布拉赫(Tycho Brahe)也正仔細觀測同一彗星,並詳細記錄了這顆彗星在行星之間的穿行,從而顛覆了千年之久的亞裏士多德世界觀。

同一年,一位六歲的德國小男孩被媽媽拉著手帶到一處高地,抬頭仰望天上這顆壯觀的彗星,從此奠定了他一生對天文學執迷不悔的興趣,他所取得的偉大成就讓後人尊他為"天上的立法者"。

在這一刻,不但他們的視線相交於這一顆彗星,他們的人生也會在未來的某一時刻相交造就曆史上最成功的合作,他們的偉大成果和理論體係隨後更是越洋萬裏來到晚明的中國,成為之後幾百年直至今天中國天文曆法的堅實基礎。

 

男人來自火星,為什麽火星老是出軌?

開普勒在小時候看過的1577年大彗星

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這個六歲的德國小男孩就是為星星製定法律的約翰內斯·開普勒(ohannes Kepler),他於1571年生於德國威爾的一個貧民家庭。爺爺曾是當地的市長,但很快家道中落,家中三代十幾口人擠在破瓦寒窯中,兩個弟弟早夭,更有當雇傭兵的父親,在開普勒五歲時就浪跡天涯,17歲後就再無音訊。

第穀1546年生於丹麥一個世襲貴族家庭,他的父親曾許諾將他送給膝下無子的伯父。但估計後來後悔了,結果第穀兩歲時,伯父將他搶走,從此他就成了伯父富可敵國財產的繼承人。

開普勒除了窮,還殘,他是一個早產兒,自幼體弱多病,四歲時因感染天花和猩紅熱,導致眼睛嚴重近視和散光,一隻手也基本廢掉,就這樣年少而殘。

含著金鑰匙出生的第穀後來居然也成為殘廢,20歲時,他參加一位教授的婚禮舞會,因為一個數學問題,與另一個丹麥貴族發生爭吵,而後居然相約以決鬥的方式來解決數學分歧,估計他們覺得誰劍術高,誰的數學就好。

 

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這已經是夠奇葩了,更奇葩的是,決鬥中,第穀被對手砍掉了鼻子,成為三等肢體殘廢,最後不得不用銀和金分別仿造了個假鼻子用膠水粘在臉上。在他死後三百年,當屍體被挖掘出來時,假鼻子竟然完好無損!

窮人的孩子早當家,開普勒10歲時就要幫忙家裏做農活,13歲時進入了一個神學院, 16歲靠獎學金進入圖賓根大學,取得文學碩士學位後,為了當一名路德教的牧師,又留校學習神學,其後當過講師,禦用數學家,繪圖師,宮廷天文學家等等。但他終生窮困潦倒,先是母親被指控巫術罪而入獄,為了解救母親他耗盡了精力和家財,又時常遇上削減和拖欠工資,甚至連政府也給他"打白條",他後來窮到12個孩子大多都在貧病交加中夭折,妻子精神失常先他而去,他自己最後騎著一匹瘦馬去千裏討薪,上演了一出德國版的"古道西風瘦馬"悲劇,無奈在路上發燒病餓含悲離世。

 

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所謂天將降大任於斯人也,必先苦其心誌,勞其筋骨,餓其體膚,空乏其身……,但這天降的大任要大到什麽程度才能讓開普勒的人生如此悲催?

富N代第穀一生衣食無憂,財富自由,自由到想去哪個名牌大學就去哪個大學,他13歲就進入整個歐洲最名牌的大學--哥本哈根大學,16歲到萊比錫大學,20歲至羅斯托克大學,23歲考入巴塞爾大學。

開普勒的成名是很偶然的,他為了混口飯吃,兼職做他根本不相信的占星家,每年為地方出一本黃曆,有次他的黃曆預測:某年,天氣將會奇冷,土耳其人會入侵。結果神奇的巧合來了,預測全中,於是名聲大震。

第穀的成名就高大上多了,他在1572 年發現了一顆超新星,後人命名為"第穀新星"。新星在仙後座,最亮時甚至白晝可見,第穀發表了詳盡的"新星"觀測論文,粉碎了長期稱霸天文界的亞裏士多德"水晶球"體係,這讓第穀譽滿天下,不到三十歲就成為丹麥首屈一指的天文學家。

第穀不但繼承了幾個主要貴族家族的家產,丹麥腓特烈二世國王還賜給他一個島(汶島)讓他當島主,並提供一度達到丹麥年財政收入百分之一的資金支持。作為島主,第穀還對島上的居民享有領主權,可以讓他們無償為他服勞役。

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擁有這樣得天獨厚的優勢,第穀在汶島上建了兩個大型雄偉的天文台"天堡"和"星堡",雇傭了四十多個助手,並設計和製造了許多史無前例當時最先進的大型天文儀器。第穀是名符其實的天文儀器設計和製造大師,今天,歐洲天文學會為了紀念他對天文儀器的貢獻,在2008年設立了第穀·布拉赫獎,旨在獎勵對歐洲天文儀器的開創性發展和利用。

上帝神奇地讓這完全是兩個世界的人產生了交集。

開普勒在他早期所著的《神秘的宇宙》(1597年)一書裏構造了一個基於正多麵體的宇宙模型,雖然非常美妙,但是毫無學術價值,但讓他的數學才能霸氣側漏,並成功引起了第穀的注意。

 

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開普勒在《宇宙的神秘》中關於太陽係的實體模型(1596年)

1600年1月的某一天,開普勒成為了第穀?布拉赫的學生兼助手,從此揭開了科學史上最偉大的合作之一,標誌現代自然科學兩大基礎--理論與實驗的第一次攜手。他們倆隻有結合在一起,才能互相成就。

2


在汶島,第穀與他前後近百位學生與工匠進行了長達21年堅持不懈的觀測,收集了關於太陽、月球和行星運動非常準確的觀測數據,這些天文數據不但是最全的,而且精度達到了肉眼的極限。

 

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第穀的觀測繪圖,身後是著名的牆象限儀。

《世界觀》這樣讚美第穀:他很有可能是人類曆史上僅靠肉眼進行觀察的人中最為優秀的一位了。

作為"星學之王", 第穀絕對是天文觀測者中的王者,在他含有777顆恒星的星表中,最亮恒星的位置已精確到1弧度左右。但是第穀最驕傲的卻是他的宇宙論。


他提出了一種新的宇宙圖景,將"日心"和"地心" 綜合創立了一個混合體係—第穀體係,以第穀和星星的親密關係,他完全知道托勒密地心說的荒謬,但是為了避免爭議,他在哥白尼保守的地方創新,在哥白尼創新的地方保守。因此他還是將地球安置在世界中心,讓太陽帶著其他五個行星繞地旋轉,從而避免了哥白尼地動說帶來的種種挑戰,因為運動其實是相對的,地球繞太陽旋轉,確實也可以看成太陽繞地球旋轉。

 

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第穀認為,地球在運動的說法"不僅違反了所有物理真理,而且違反了聖經的權威"。此外,按照哥白尼日心說,地球公轉則必然可以觀測到恒星的周年視差,而第穀憑借著當世最精密的儀器也無法觀測到。哥白尼日心說的這兩個困難,在當時確實無人能解,要等到日後兩個"天選之子"的出現才能完美回答。

第穀體係直接打碎了托勒密體係和哥白尼體係都有的水晶球,因此在1588年問世後被歐洲大部分科學家接受,一下成為欽定的宇宙體係,並影響了其後大部分宇宙體係,它雖然在"簡潔"上不如哥白尼體係,但在"密"(精確)方麵則大大超過後者。

今天對第穀體係的陌生和冷漠,其實是對那段近百年曆史的不熟悉或者誤讀。


第穀體係後來飄洋過海來到中國,被徐光啟領導的明朝曆局采用,成為當時代表當時世界先進水平的巨著《崇禎曆書》的基礎,極大提高了日月食和其他天文計算的精確度,是曆法史上的徹底革新,奠定了迄今為止300多年中國曆法的堅實基礎,之後更成為中國學習天文的主流源頭。(參看拙作:中國最偉大的發明不是四大發明,而是......

但是第穀最大的成就其實是發現了開普勒,他獨具慧眼發現了開普勒的天文和數學天賦並對其寄予厚望,第穀在臨終前將自己耗盡畢生心血積累的天文觀測資料和手稿全部交給了開普勒。


據說第穀還給自己寫了墓誌銘:他像聖人一樣生活,像傻瓜一樣死了(He lived like a sage and died like a fool。)而他的死也確實像傻瓜,因為第穀參加宴會,拒絕離開,結果被尿活活憋死,丹麥科學家團隊最新分析證實了這個離奇的傳說:他的死因是膀胱破裂。

雖然不是死得光榮,但第穀確實已經享受了畢生的榮光。

3

開普勒從小近視,而且年紀越大越嚴重,加上單手殘廢,要做天文學家,屬於嚴重先天不足,但命運讓他神奇地擁有了世人夢寐以求的寶藏--第穀的最全最精確的觀星資料。從此,在浩如煙海的數據中,他隻要盡情地發揮出自己的數學天賦,偉大的行星運行規律就隱藏其中。

第穀和開普勒在任何時代都能成為絕配,他們一個是穀歌爬蟲,負責采集數據,一個是亞馬遜的雲計算,專營大數據分析。

第穀曾對開普勒說:"除了火星所給與你的麻煩之外,其他一切麻煩都沒有了。火星我也要交托於你,它是夠一個人麻煩的。"

火星為什麽這麽難搞?因為火星老是出軌。

第穀和開普勒發現,不論是哥白尼體係、托勒密體係還是第穀體係,沒有一個能與第穀的最豐富最精確的火星觀測資料相符,火星從來不在這幾個體係所預言的"完美的圓形"軌道中老老實實地運轉。

火星除了經常出軌,還有奇怪的"逆行"現象。這些難題已經困擾了天文學界幾個世紀。

開普勒知道第穀的實驗數據絕對可靠,那麽問題出在哪裏呢?

開普勒與(火星)進行了持續多年的 "戰爭", 他曾詼諧地寫道:"我預備征服戰神馬爾斯,把它俘虜到我的星表中來,我已為它準備了枷鎖。但是我忽然感到勝利毫無把握……,這個星空中狡黠的家夥,出乎意料地扯斷我給它戴上的用方程連成的枷鎖,從星表的囚籠中衝出來,逃往自由的宇宙空間去了。"

開普勒計算出來的火星位置和第穀數據之間僅僅相差8弧分(這個角度相當於表上的秒針在0.02秒瞬間轉過的角度),但就這8分改變了天文學。

開普勒自己寫道:"上天給我們一位像第穀這樣精通的觀測者,應該感謝神靈的這個恩賜。一經認識到這是我們使用的假說上的錯誤,便應竭盡全力去發現天體運動的真正規律,這8分是不允許忽略的,它使我走上改革整個天文學的道路。"

開普勒終於意識到為了讓火星不出軌,火星的軌道應該是---橢圓。

開普勒在1619年出版的《宇宙和諧論》這樣表述:每一個行星都沿各自的橢圓軌道環繞太陽,而太陽則處在橢圓的一個焦點中。

這就是偉大的開普勒行星第一定律。

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用橢圓解決了火星出軌問題後,加上哥白尼的"地動說",火星奇怪的"逆行"難題,也就輕輕鬆鬆迎刃而解了。

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開普勒在解決火星出軌問題的過程中純屬天才地利用火星和太陽為不動點,用火星已知的公轉周期分割數據,運用 "三角測量法"確定了地球的運動軌跡。這個天才的方法天才到連"天才之王"愛因斯坦都稱讚是"真正的天才想法"。

得到地球的軌道後,開普勒又繼續用這個天才的創意反其道行之,以地球為固定參考點,計算出了所有行星的軌道。

另一方麵,在精密的計算中,開普勒早就發現火星也沒有做勻速運動,而是在近日點運行速度快,遠日點速度慢。

 

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1602年底,開普勒運用幾何學重新闡述了這個比例:行星在同樣的時間內掃過的麵積是相等的——開普勒行星第二定律(開普勒發現第二定律的時間比第一定律更早,從現代角度出發,等麵積定律更容易理解為角動量守恒)。

 

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行星與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的麵積

開普勒在1609年發表的偉大著作《新天文學》中首次提出這兩個偉大的定律,這兩個定律一經確立,就從根本上摧毀了本輪係,鞏固了的理論,從而奠定了經典天文學的基石。

《新天文學》被認為是天文學上最重要的書之一.

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他隻要七個橢圓就讓太陽係的六大行星加月亮乖乖聽話,再不出軌。而哥白尼要用34個圓,托勒密要用60個。(參看拙作:哥白尼 - 被徐誌摩、倪匡等“燒死”的蓋世英雄

開普勒虔誠的信仰上帝,他始終相信上帝創造的世界和諧簡潔完美,那環環相套的無數的本輪和均輪,都不是真實的宇宙世界,上帝本身就是證明。開普勒就是秉持這樣的信仰,天馬行空地想象,廢寢忘食地研究,實事求是地求證,從信仰開出絢麗的科學之花。

 

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開普勒定律成了天空世界的"法律"。後世學者尊稱開普勒為"天空立法者"。

但是,星空中還隱藏著另一條偉大的定律,為了美麗的她,開普勒還要再花費十年的時間去苦苦追尋…… (且聽下回分解)




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