行星运动定律。科学发现的历史和本质

行星运动定律。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

行星，由于它们外表复杂的运动，在天文学中发挥了决定性的作用，并且总体上在建立力学和物理学的基础方面发挥了决定性作用。甚至古希腊的天文学家也提出了这样一个问题，即观察到的复杂的天空运动是否只是行星在太空中更规律的运动的反映。从这个时候开始，行星系统方案的理论构建，或者，正如我们上面所说的，行星在太空中运动的运动学。

德国数学家和天文学家伊拉斯谟·雷因戈尔德（Erasmus Reingold，1511-1553 年）是最早的哥白尼学者之一，于 1551 年根据日心说系统编写而成哥白尼，行星运动表，他称之为“普鲁士表”。事实证明，这些表格比以前所有基于旧方案的表格更准确，这极大地促进了日心说思想的加强，日心说很难通过几个世纪以来建立的观点，并熟悉那个时代，以及克服教会的反动意识形态压力。

然而，天文学家很快发现这些表格与天体运动的观测数据之间存在差异。

对于先进的科学家来说，哥白尼的学说显然是正确的，但需要更深入地研究，找出行星运动的规律。这个问题被伟大的德国科学家解决了开普勒.

约翰内斯·开普勒 (1571-1630) 出生于斯图加特附近的韦伊勒小镇。开普勒出生在一个贫穷的家庭，因此，他好不容易才完成学业，并于 1589 年进入蒂宾根大学。在这里，他热情地学习数学和天文学。他的老师梅斯特林教授暗中是哥白尼的追随者。当然，在大学里，梅斯特林按照托勒密的方式教授天文学，但在家里，他向学生介绍了新教学的基础知识。很快，开普勒就成为哥白尼理论的热心和坚定的支持者。

与梅斯特林不同，开普勒没有隐藏他的观点和信仰。哥白尼教义的公开宣传很快就引起了当地神学家的仇恨。甚至在大学毕业之前，1594 年，约翰就被派往奥地利施蒂里亚省首府格拉茨市的一所新教学校教授数学。

早在 1596 年，他就发表了《宇宙秘密》，接受哥白尼关于太阳在行星系统中的中心位置的结论，他试图找到行星轨道距离和球体半径之间的联系，其中规则多面体以一定的顺序刻画，并围绕着这些顺序进行描述。尽管开普勒的这部作品仍然是学术、准科学复杂性的典范，但它为作者带来了名声。丹麦著名天文学家兼观察家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601 年）对该计划本身持怀疑态度，他对这位年轻科学家的独立思考、天文学知识、技巧和计算毅力表示敬意，并表达了与他会面的愿望。后来举行的会议对天文学的进一步发展具有特殊的意义。

1600 年，抵达布拉格的布拉赫为约翰提供了一份工作，担任他的助理，负责天空观测和天文计算。在此之前不久，布拉赫被迫离开他的祖国丹麦和他在那里建造的天文台，在那里他进行了四分之一个世纪的天文观测。这个天文台配备了最好的测量仪器，而布拉赫本人就是一个最熟练的观察者。这位科学家对哥白尼的教义很感兴趣，但他不是支持者。他对世界的结构提出了自己的解释：他承认行星是太阳的卫星，认为太阳、月亮和恒星是围绕地球旋转的物体，因此地球的中心位置在地球的后面。整个宇宙都被保存了下来。

布拉赫与开普勒合作的时间不长：他于 1601 年去世。在他去世后，开普勒开始利用长期天文观测的数据研究剩余的材料。在研究它们，特别是研究火星运动的材料时，开普勒有了一个了不起的发现：他推导出了行星运动的定律，这成为了天文学理论的基础。

开普勒的出发点是理论和观察的比较。事实是，到了 4 世纪末，普鲁士表格，如前所述，开始对行星运动的预测非常不准确。从这些表格中观察和计算出的行星位置相差 5-XNUMX 度。，这在天文实践中是不可接受的。由此，哥白尼的行星理论需要修正和补充。

一开始，开普勒走的是对哥白尼方案进行提炼和复杂化的道路。当然，他对日心说原理的真理深信不疑，开始选择新的圆组合（本轮、偏心）。最后，他设法获得了这样的组合，以至于与长达 8 分钟的观察结果相比，他的方案出现了错误。但开普勒确信第谷·布拉赫在他的观察中不会犯这样的错误。

因此，开普勒断定该理论是“有罪的”，因为它不符合天文实践。他彻底放弃了基于本轮和偏心的方案，开始寻找其他方案。

开普勒得出的结论是，自古以来关于行星轨道是圆形的观点是不正确的。通过计算，他证明行星不是按圆周运动，而是按椭圆形——封闭曲线运动，其形状与圆形有些不同。在解决这个问题时，开普勒遇到了一般情况下用常数数学方法无法解决的情况。问题归根结底是计算偏心圆扇形的面积。如果这个问题翻译成现代数学语言，我们就得到了椭圆积分。当然，开普勒无法给出求积问题的解，但面对出现的困难，他并没有放弃，通过对无穷大的“实际化”无穷小数求和来解决问题。在现代，这种解决重要而复杂的实际问题的方法代表了数学分析史前的第一步。

开普勒第一定律表明太阳并不位于椭圆的中心，而是位于一个称为焦点的特殊点。由此可见，行星与太阳的距离并不总是相同的。由于椭圆是平面图形，因此第一定律意味着每个行星都在移动，并且始终保持在同一平面上。

第二定律听起来是这样的：行星的半径矢量（即连接太阳和行星的线段）描述了相等时间间隔内的相等面积。该定律通常被称为区域定律。第二定律首先表明了行星在其轨道上的速度变化：行星离太阳越近，它移动的越快。但这条法律实际上给出了更多。它完全决定了行星在其椭圆轨道上的运动。

自 1609 年开普勒著名的《新天文学》发表以来，这两条定律都已成为科学的财产，该书阐述了新天体力学的基础。然而这部精彩作品的发布并没有立即引起应有的关注：即使是伟大的作品伽利略，显然，直到他的日子结束时才接受开普勒的法律。

开普勒直觉地认为，整个行星系统之间存在某种模式。自《新天文学》出版以来，他十年来一直在寻找这些模式。开普勒最丰富的想象力和巨大的勤奋使他得出了所谓的第三定律，该定律与前两条定律一样，在天文学中发挥着至关重要的作用。开普勒出版了《世界的和谐》，其中阐述了行星运动第三定律。科学家在行星的公转时间和它们距太阳的距离之间建立了严格的关系。事实证明，任何两颗行星绕太阳公转周期的平方彼此相关，就像它们距太阳平均距离的立方一样。这就是开普勒第三定律。

E.A. Grebennikov 和 Yu.A. Ryabov 在他们的书中写道：“开普勒第三定律在确定行星和卫星的质量方面发挥着关键作用。”事实上，行星绕太阳公转的周期及其日心距离是通过以下公式确定的：特殊的数学处理方法观测，并且行星的质量不能直接从观测中获得。我们没有宏伟的宇宙尺度可供使用，我们可以在其一侧放置太阳，在另一侧放置行星。开普勒的第三定律弥补了这种宇宙尺度的缺失，因为在它的帮助下，我们可以轻松地确定形成单一系统的天体质量。”

开普勒定律的非凡之处还在于，可以说，它们比现实本身更准确。它们代表了理想化“太阳系”的精确数学运动定律，其中行星是与“太阳”相比质量无限小的物质点。事实上，行星具有相当大的质量，因此它们的实际运动与开普勒定律存在偏差。这种情况发生在许多现在已知的物理定律的情况下。今天我们可以说，开普勒定律准确地描述了二体问题框架内的行星运动，而我们的太阳系是一个多行星系统，因此这些定律对于太阳系来说只是近似的。同样矛盾的是，对火星的观察导致了他们的发现，而开普勒定律的履行却不太准确。

开普勒创造天体力学的工作对哥白尼学说的认可和发展起到了重要作用。他为后续研究，特别是发现牛顿万有引力定律。开普勒定律仍然保留其意义：在学会考虑天体的相互作用后，科学家们不仅使用它们来计算自然天体的运动，而且最重要的是，还用于人造天体，例如宇宙飞船，见证了出现和我们这一代人的进步。

作者：萨明 D.K.

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