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[水煮物理]之:仰望星空的人
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所 

 

(仰望星空——民族希望)

  “一个民族有一些关注天空的人,他们才有希望;一个民族只是关心脚下的事情,那是没有未来的。”  ——温家宝

 

(宇宙中的浩渺星空)

  浩渺星空、苍穹宇宙,似乎那么遥远而又那么神秘。自古以来,我们仰望星空,渴望获得天外的未知,渴望知道我们在宇宙中是如何的一份子,渴望知道我们的宇宙从何处来到何处去。在伽利略用望远镜试图窥视上帝的秘密之后,星空世界才逐步走入人们的视野。如今太空望远镜的威力已经足以观测到许多年前发生的故事,而我们也终于认识到人类不过是宇宙中微不足道的一小小部分。然而,在此之前,我们只能用自己的肉眼仰望星空。

  可是,古往今来,仰望星空有过无数人,却绝大部分属于占星术士。古人的想象力是丰富无穷的,他们甚至拟出三十六天罡、七十二地煞还有一副天上仙界图。想象终归是想象,事实远非如此。真正洞悉星空奥秘第一人,当属开普勒同学。这位勤奋的天文学家也是物理学家,却无法仰望星空。因为他从小就损坏视力,在靠肉眼观测的年代,他无法成为一个天文观测学家。历史就是如此奇特,失去听力的贝多芬可以创作出第九交响曲的传世之作,疯掉的尼采可以留下丰富的哲学遗产,就是失明的左丘明也能作《左传》和瘸腿的孙膑也能成为一代军师。对于视力损坏的开普勒来说,他仰望星空的工具是“别人的眼睛”还有他自己的另一副眼睛——精湛的数学计算能力。

  数学是思维的体操。而数学体操的世界冠军,当推开普勒。开普勒对数学的喜好正如古希腊学者们一样,十分重视数的作用,总想在自然界寻找数量的规律性 。规律愈简单,从数学上看就愈好,因而在他看来就愈接近自然。他信奉哥白尼学说,因为日心体系在数学上显得更简单更和谐。在他早期所著的《神秘的宇宙》一书中,他绘制出了一个多面体宇宙模型。模型体现了日月及五大行星的运行轨道。虽然这个学说因循了亚里士多德、托勒密和哥白尼的圆形轨道范畴,是一个错误的结论,但是开普勒的数学天分,已展露端倪。  

   

(开普勒的多面体宇宙模型)

   开普勒出生在德国南部的瓦尔城。他的一生在颠沛流离中的宗教斗争情势中渡过。开普勒原是个新教徒,从学校毕业后,进入新教的神学院——杜宾根大学攻读,本想将来当个神学者,但后来却对数学和天文学发生浓厚兴趣和爱好。1598年奥地利发生宗教冲突,开普勒被迫带着全家背井离乡。后来接受第谷的邀请去了布拉格,以协助他整理观测资料和编制新星表。开普勒一生的命运就此发生转折。在最初的几个月里,开普勒的才干给人留下了深刻的印象。开普勒本人是不相信占星术的,他认为那是伪科学,然而当时他的老板——教会组织常常拖欠工资,他也只能靠编写占星术历书来挣钱。他自我解嘲道“作为女儿的占星术若不为天文学母亲挣面包,母亲便要挨饿了。”而他投靠的新的第谷老板,其实主要身份还是皇家占星术士。好在的是,两人相处的还不错。只是,好景不长,第谷在他到来的第二年就去世了。第谷给开普勒留下的,是作为“星空之王”的他20年来观测的大量星空变化数据,还有一句忠告:“一定要尊重观测事实。”第谷便是开普勒仰望星空的第一双眼睛。

(第谷——开普勒仰望星空的第一双眼睛)

   观测星空其实是非常艰苦而枯燥的一件事情,第谷能数十年如一日地坚持下去,一是为了吃饭、二是为了科学,难能可贵。我曾听过一个关于科学院某天文台学生的笑话,话说某师兄和某师弟到了某观测站进行观测。现代的观测工具当然不是肉眼了,更多的是记录数据。起初两人认为能远离老板的管束到天文观测台自由学习生活应该是一件大乐事,但没过几天,就觉得单调枯燥的观测生活令人厌烦了。一天,师兄忧心忡忡地对师弟说:“师弟,你说你要是师妹该多好哇!”又一天,师弟满怀愁容地对师兄说:“师兄,咱们啥时候才能出狱啊?”再过了一个月,师兄向师弟吼道:“你离开我的视线吧!这么多天来,我每天见到的人只有你,睁开眼睛都是你,可为什么你又不是师妹呢?”师弟满脸无辜地答道:“师兄,咱们‘分居’吧。你在楼上,我在楼下。有事电话联系。”“好!反正我这辈子最不想见到的人就是你了!”师兄欣然接受此提议。于是,两个人在同一个楼里,不再见面。这原本是个反映研究生心理问题的笑话,不过它无意揭示了科研生活的枯燥和无聊。而天文观测,正是需要巨大的耐心和毅力来完成的。正是有了第谷这双深邃的眼睛,开普勒开始利用他的数学才华,试图找出行星运动的真实轨道。



(第谷的天文观测城堡和内部工作情景)



(第谷(1572年)和开普勒(1604年)发现的超新星)

   从一堆数据里面发现规律是非常非常困难的,看过美剧《Lost》的人都知道,光是一个神秘的数列:4,8,15,16,23,42 就足以迷倒众多影迷穷根究底。开普勒要面对的,是无数个这样的数列!聪明的开普勒先从地球的轨道出发,要知道地球的轨道,最重要的就是要量出地球和太阳的距离如何随时间变化。可直接测量地日间距是不可能的,开普勒采用了最简单的直角三角形测量法,只要选取一个参考点,量出参考点和地球的距离,然后观测出地球、太阳和参考点的夹角,就可以计算出日地距离。不过要找这个测量点着实不容易,因为太阳系中除了太阳不动之外就没有别的不动的星球了。开普勒选取了火星,因为火星绕太阳运行的时间“火星年”是精确测定过的,而若火星在闭合轨道上运行,那么它必然有一天会和地球太阳在一条直线上,再过一个“火星年”它又回到这个直线上。期间地球会处在不同相对位置,这样就可以计算日地距离了。正是“天公斗巧乃如此,令人一步千徘徊”。开普勒利用他的巧妙构思开始了漫长的计算,可第一个面临的挑战,竟然是他的第一双眼睛——第谷的观测结果。他发现他计算出来的火星轨道和第谷的观测数据存在8分的差距,经过许多次验算之后,开普勒选择相信他的第二双眼睛——数学的严谨性。毕竟任何一个伟大的实验物理学家也有在记录实验结果的时候存在误差,何况第谷一直笃信的是圆形轨道的错误思想。正是认识到这一点,开普勒觉察到行星运行轨道不应该是严格的圆形,而可能是其他曲线,最终他确定为椭圆并且能推广到太阳系其他行星上去。

  通过对第谷数据的分析,开普勒在1609年发表了《新天文学》一书和《论火星运动》一文,公布了两个定律:(一)所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动。太阳的位置不在轨道中心,而在轨道的两个焦点之一。(轨道定律)和(二)在同样的时间里,行星向径在其轨道平面上所扫过的面积相等。(面积定律)有了这两个定律,编制新星表的任务自然就顺利完成。10年后,不满足的开普勒再次从第谷的数据里看出了另外一个规律:开普勒第三定律。(三)行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。(周期定律)16年来的辛苦计算终于集大成。开普勒的行星三大定律为后来牛顿发现万有引力定律起到了决定性的提示作用,开普勒正是牛顿所言的“巨人”。除行星运行三大定律外,开普勒于1627年刊布他终身的最后杰作——《路德福星表》。这是天文史上值得称赞的一部星表,它的完备和准确度远胜过前人。在以后的百余年间,该表一直被天文学家和航海家们奉为至宝。它的形式几乎没有改变地保留到现在。开普勒一生的成就,可谓辉煌之致!

(开普勒第一定律和第二定律)

  然而,如此杰出的科学家的生活却是不幸和痛苦的。开普勒一生中结过两次婚,有12个孩子(天!)。要养家糊口,可是一项无比艰巨的任务。加上教会组织总是无端拖欠工资,他只好操起老本行,做占星术挣外块。开普勒是个成功的占星术士,尽管他常说“神根据自己的心意可以改变一切”。他甚至预言了1618年爆发的布拉格起义和三十年战争,交战双方正是开普勒为之占卜的捷克贵族华伦斯坦和第谷为之占卜的瑞典国王古斯塔夫二世——历史总会如此嘲弄人。开普勒一生充满连年的战争,长期漂泊,生活贫困和来自教会的迫害。最终在1630年11月,他染伤寒而死。死在向宫廷讨薪的路上——宫廷居然欠他20多年的薪水!去世的时候,他的身边唯有几件衣服几本旧书。

  开普勒的一生给我们许多启迪:观测的重要性、尊重实验事实也要相信理论计算、找一个好老板胜过一切、为了生活也可以搞点副业、从简单模型出发得到不简单的结论、科学家不要卷入政治和宗教否则祸害一生。

   开普勒的后继者们在探索银河系行星和太阳系外甚至银河系外行星中做了许多努力。2008年,我们终于拍到一张太阳系外行星的照片。而第一个探索地外行星的任务——“开普勒”太空望远镜预计将于2009年发射升空。我们甚至还在按照开普勒当初利用太阳能航行太空的设想,设计制造“太阳帆飞船”,以图遨游太空,窥视宇宙深处的奥秘。人类在仰望星空的起点之后,走的更深更远了。我们复兴中的中国,也正在呼唤“仰望星空的人”。国家希望有那么一批年青人,坚持从事基础科学研究,坚持探索自然界深处的秘密,坚持追求真理。虽然基础科研是枯燥乏味而且寂寞的,但请仰望星空,又有无数繁星作伴,人生岂亦得乐哉?


(2008年哈勃太空望远镜拍摄到太阳系外行星照片和5000光年外的太阳系孪生兄弟)

(“开普勒”太空望远镜预计将于2009年发射升空)


(太阳帆飞船)


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