星空探索者

「星學之王」　　英國大科學家牛頓說過一句至理名言：「如果我所見的比笛卡兒要遠一點，那是因為我是站在巨人們的肩膀上的緣故。」在天文學史上，丹麥天文學家第谷就是這樣一位典型的「墊肩巨人」。他被後人正確地譽為「近代天文學的始祖」和「星學之王」，而他一生的主要工作則是數十年如一日地最精確地進行天文觀測，不僅為驗證前人的科學理論作出了重大貢獻，更為後繼者進一步攀登科學高峰創造了條件，鋪平了道路。　　第谷比布魯諾早兩年出生在丹麥斯堪尼亞一個貴族家庭，兄弟姊妹共10人，他老大。不過教養他的不是他的父親，而是他的伯父。13歲那年第谷的伯父將他送進哥本哈根大學學習哲學和修辭學，無奈第谷好動愛玩，對學校的功課毫無興趣。　　14歲那年，也就是1560年8月21日第谷遇到了一次日食，這使他對天文學產生了濃厚的興趣。使他驚奇萬分的倒不是種少見的天象，而是天文學家能夠如此準確地對它進行預報。從此他愛上了天文學和數學，並找來了托勒密的《天文學大成》加以研究，希望自己也能預知這類天象。　　可是，第谷的伯父不喜歡科學這玩意兒，他希望第谷將來成為有錢有勢的律師。1562年他又把第谷送到萊比錫大學去學習法律，並派隨從進行監督。第谷呢？乖巧而又勤奮，總是騙過隨從，等隨從睡著以後，再從床上爬起來，一連幾個鐘頭觀察星座或者研究數學。　　1563年，17歲的第谷專心觀測行星，特別對木星和土星進行了仔細的觀測。他發現當時通用的星表有較大的誤差，這使第谷下決心要修正現有星表的差錯，為此，他告誡自己在觀測星空時必須力求非常精確。　　但是，對第谷的一生最具有決定性影響的，是 1572年突然出現在天空的一顆超新星。這一年的11月11日黃昏，第谷從實驗室里出來，抬頭一望，驚訝地發現天頂附近的仙后座出現一顆他從未見過的亮星（第谷從小觀測星空，對星空中星星的位置可以說了如指掌）。他簡直不敢相信自己的眼睛，於是他問馬車夫，馬車夫說他也看見了——他們看見的是一顆過去從未見過的新星。　　懷著極大的好奇心，第谷對他發現的這顆新星進行了精細的觀測，從1572年11日開始到1574年2月結束，持續觀測了1年零3個月：該星先是越來越亮，然後慢慢暗下來，最後完全不見。對於新星的顏色和亮度等等的變化，第谷都仔細作了記錄並認真進行了研究，最後他寫成《論新星》一書。應該說，對於這顆超新星，中國、朝鮮以至歐洲都有人發現並作了記述，有的比第谷發現還早，但記錄和研究卻遠不如第谷詳細和深入。　　第谷首先精確地測定了這顆新星同仙后座中其他9顆恆星的相對位置，然後觀察該星相對於其他恆星沒有過任何方位的移動，這說明這顆新星離開我們要比月亮、太陽、行星都遠得多，是位於「恆星天」上的恆星。可這又與亞里士多德所說的「天不變」的原則相矛盾。由此可見，新星的發現動搖了舊天文學的基礎，對確立新天文學即哥白尼學說是有利的。　　尊重科學、尊重人才的丹麥王腓特烈二世十分讚賞第谷的才華，他在1576年聘任第谷為皇室天文學家，給予優厚待遇；5月又發布敕令，把靠近哥本哈根的一個小島——汶島作為封地賜給第谷，並撥巨款供他建造天文台。如魚得水的第谷全力以赴，同年就開始親自指導建造「天堡」，以後又在「天堡」以南建造了一個「星堡」。「天堡」和「星堡」都配備有當時最先進的天文觀測儀器，其中相當一部分是由第谷自己設計製造的。第谷從此開始了他專職天文觀測的生涯，在這裡觀天測天達20年之久，取得了許多研究成果，得到了不少重要發現。　　舉個例子：1577年11月13日，第谷觀測到一顆大彗星，在這顆彗星於次年1月底消失以前，他始終不懈地跟蹤觀測，並逐日記錄它的位置、顏色、亮度和彗尾的方向等。1588年，他寫成《最新天象一覽》一書。根據當時流特的亞里士多德的觀點，像彗星這類來無影、去無蹤怪物，根本不可能是天體而只能是發生在地球大氣中的現象。第谷在書中首次批駁了這種傳統的錯誤見解，他的觀測表明，彗星是天界的產物，運行軌道遠在月球運行軌道之外，在各行星所在的空間穿越行星天層繞著太陽運行，這就證明，亞里士多德地心（同心球）體系中所說的各行星的水晶球天層里根本不存在的。　　第谷確實是一位天才的天文觀測大師。他那時還沒有望遠鏡，有的只是一雙銳利的眼睛和一些現在看來是十分簡陋的觀測儀器。為了提高觀測精度，第谷創製了新的儀器，改進了舊的儀器，還採用了一些新的測量方法（比如度盤刻度採用的橫斷點分弧法）。這樣就使他的觀測精度不僅遠遠超過了前人，也為他同時代的人望塵莫及。根據他的觀測資料所編製的一份包含1000顆星的星表，定位精度在1分到2分之間，是望遠鏡問世以前定位精度最高的星表，直到現在還有使用價值。　　遺憾的是，第谷雖然是一位超群的觀測家，卻不是一位高明的理論家，他那麼長時間精確地觀測了行星的運動，卻始終沒有成為哥白尼學說的堅定擁護者，這是很讓人費解的。也許是宗教的原因，也可能是想像力方面的欠缺，儘管他很崇拜哥白尼，卻總也不肯放棄地球應該處在宇宙中心的想法。他在1588年正式公布的自己的宇宙體系中，地球位於宇宙的中心固定不動，月球在離地球不太遠的軌道上繞地球旋轉，五大行星各沿圓形軌道圍著太陽運行，而太陽又帶著這五大行星環繞地球轉動。這是一種典型的半日心說半地心說的混合體系，可以看作是人類的認識從托勒密的地心體系發展到哥白尼的日心體系過程中的一個插曲。總之，作為一位觀測者，第谷的貢獻比哥白尼更大，雖然第谷並不贊成哥白尼的理論，但他對這一理論的最終勝利作出了重大貢獻。　　第谷的晚年可不像他在汶島時那麼風光。自從腓特烈二世去世以後，由於同僚的嫉妒，當權者的作梗，還有繼位的丹麥新國王不支持他的工作，不斷削減撥款，使他不得不於1597年離開汶島，避居哥本哈根。後來幸虧得到以獎勵天文學研究著稱的奧國君主魯道夫二世的支持，在布拉格為他建造了天文台，並給他以優厚的俸祿，第谷才於1599年來到布拉格，並且把汶島上的一些儀器也運到了布拉格。　　1600年，第谷和開普勒在布拉格見面，從此兩人合作開始了新的工作計劃。可惜第二年第谷就與世長辭了。兩位科學家的相遇是天文學史上的一大幸事：對第谷來說是找到了一位他為之奮鬥了一生的事業的卓越繼承者，他把他在長期觀測行星運動中所積累起來的極其豐富、準確的觀測資料，於臨終前夕毫無保留地交給了開普勒；而青年開普勒則是在貧病交加之際得到了恩師第谷的提攜和幫助，並在第谷工作的基礎上發現了行星運動三定律，成為一個名垂青史的「天空立法者」。　　「天空立法者」　　人們常把「安貧樂道」視為一種美德，並認為歷史上有許多科學家都是　　「安貧樂道」的。不過這「貧」恐怕也是有個界限，像開普勒這樣一位幾乎終身與貧病為伍而又在天文學上作出了偉大貢獻的科學家，在科學史上大概是絕無僅有的。他的一生是單槍匹馬艱苦奮鬥的一生。第谷的背後有國王，伽利略的背後有公爵，牛頓的背後有政府，可開普勒的背後只有疾病和貧困。他靠自己的奮鬥樹立了一座高聳入雲的豐碑，並在那上面宣布「為天空立法」，從而完善、鞏固了哥白尼的理論和為天體力學奠定了基礎。　　開普勒1571年出生於魏爾一個貧苦人家。他在母親腹中只呆了7個月便出世了，可謂先天不足；5歲時一場天花幾乎使他夭亡，接著猩紅熱又嚴重損害了他的雙眼。很多人都有幸福的童年，可開普勒的童年是貧病交加，在死亡線上掙扎。　　幸好他的智力是健全的。開普勒讀書用功，成績很好。12歲那年他進修道院求學，在符騰堡學習德語和拉丁語。1588年入蒂賓根大學，在那裡首次接觸哥白尼學說並很快成為這一學說的忠實擁護者。1591年開普勒獲文學碩士學位，以後又學了3年神學。1594年他去奧地利格拉茨的新教神學院擔任數學教師，從此開始了他的天文學研究。　　同哥白尼一樣，開普勒也深受古希臘畢達哥拉斯學派的影響，認為上帝是按照一個簡單的圖案來創造世界的，只要用智慧和耐心去尋求，簡單的宇宙結構圖案就能找到。1596年，開普勒出版了《宇宙的神秘》一書，書中第一次公布了他對行星軌道和宇宙結構的設想。他以哥白尼的日心體系為基本框架，經過4年的辛勤探索和反覆計算，巧妙地用5種正多面體的外接圓和內切圓表示6顆行星軌道大小的相互關係。自然界的正多面體只能有5種（正四面體、止六面體、正八面體、正十二面體、正二十四面體），它們疊在一起能構成的外接圓和內切圓是6個，而太陽系裡的行星也正好只有6顆，「珠聯璧合」，「天衣無縫」，這不正是造物主偉大智慧的表現嗎？但是開普勒錯了，這完全是一種偶然的巧合，現在我們誰都知道太陽系裡至少有九大行星。當然，你不要忘了，開普勒當時還是一個25歲的青年！　　在這本書里，開普勒還第一次探討了行星運動的物理原因。他認為物體除非不斷受力，否則就會靜止不動。開普勒提出是太陽不斷地產生著一種驅動力在驅趕行星沿著各自的軌道環繞太陽運動，離太陽遠的行星，受太陽的驅動力小，在軌道上運動就慢，繞太陽旋轉一周所需的時間（周期）也長；離太陽近的行星，情況正好相反。儘管開普勒的這種解釋並不正確，但這是人類對行星運動物理原因的第一次探索，是萬有引力定律問世以前最有開拓性的思想。　　第谷正是由於看到這本《宇宙的神秘》，使他對這位醉心於天文研究的青年學者刮目相看，並把開普勒邀請到布拉格當自己的助手。兩個人走到一起，一個是滿頭銀髮，目光敏銳，一個是身體虛弱，高度近視；一個愛看，最精確地觀測了許多天象，一個愛想，整天思索宇宙空間天體運動的規律；一個做準備，打基礎，一個完成工作，在牢固的基礎上蓋起科學大廈。　　這一段時間也許是開普勒一生中最歡愉的時間。第二年第谷去世，開普勒就成了第谷未竟事業的繼承人。　　開普勒的第一項工作是設法利用第谷的遺贈給他的大量火星觀測資料來研究火星運動的規律。因為火星運動時地球也在運動，所以研究火星運動首先就得弄清地球本身的運動。同前人一樣，開普勒先假定地球和火星都繞著太陽作偏心圓運動，然後利用第谷的火星觀測資料來推算地球運動的圓軌道以及地球在這個圓軌道上的運動速度。他發現，地球在偏心圓軌道上運動的速度是變化的，大體說來，在靠近太陽的近日點附近時運動得快，在離太陽較遠的遠日點附近時運動得慢。他得出一個規律：在相同時間裡，地球到太陽的連線掃過相等的面積。這個定律推廣到所有行星，便是開普勒發現的行星運動第二定律。　　地球運動軌道求出後，開普勒又用第谷的10個火星觀測數據來推求火星的運動的偏心圓軌道，但當他用更多的觀測數據來檢驗這一軌道時，卻總是發現有相當於月球視直徑（約0.5度）1/4（約8分）的偏差。是第谷的觀測有誤差嗎？不可能，開普勒完全相信第谷的觀測。看來問題是出在一開始所假定的火星運動軌道的形狀上，它不應該是正圓形，當然也不是偏心圓。經過反覆的假設、計算，最後他發現要使理論推算與第谷大量準確的觀測數據相吻合，就必須假定火星的運行軌道是一個橢圓，而太陽位於其中的一個焦點上。接著他又推而廣之，認定所有行星的軌道都是像火星軌道一樣的橢圓形，這就是行星運動的第一定律。從這裡我們也可以領悟到，精確的測量對於科學的發現是多麼重要，正如開普勒本人所說：「正是這8分的差值引起了天文學的全部革新。」　　行星運動的第一、第二定律第一次正式發表在開普勒1609年出版的《新天文學》一書中。　　開普勒信奉畢達哥拉斯關於宇宙和諧的觀念，相信各顆行星離太陽的距離與它們繞太陽公轉的周期之間存在著某種簡單的關係。他早先研究過這種關係，但沒有得到精確的結果，第一、第二定律的發現激勵著他繼續深入研究。他沒有現成的理論作指導，有的只有許許多多的數據。他把這些數據貼在自己的身邊，以便隨時可以看到，隨時可以進行思考和計算。在沒有計算機的時代，開普勒以罕見的毅力，進行了多年繁瑣、複雜、困難而又枯燥的計算，終於發現了行星運動第三定律：任何兩顆行星公轉周期的平方同軌道長半徑的立方成正比。1619年，開普勒出版的《宇宙諧和論》一書正式公布了這一重大發現。　　托勒密用80多個本輪、均輪來描述他的地心體系。哥白尼用日心說取代地心說，只是仍需要用30多個圓圈來說明問題。只有開普勒才找到了最簡單也是最符合實際的行星體系，僅用7個橢圓便能非常精確地描述和推算行星的運動。這樣，開普勒用自己發現的行星運動三定律進一步從科學上證實了太陽系確實是一個統一的整體，太陽是這個整體的中心，根本不再需要藉助於什麼本輪和偏心圓。哥白尼的日心體系從此建立在經過嚴格數學論證的基礎上，在科學史上確立了自己鞏固的地位。　　這位德國天文學家對天文學有多方面的貢獻，其中編製《魯道夫星表》一事尤其值得稱道。1601年，第谷彌留之際，曾給開普勒留下遺願：他一生觀測星空，本想編製一種準確的星表留給後人，目標是1000顆星，現在病入膏盲，壯志難酬，希望開普勒以他的宇宙體系為理論依據，應用他畢生積累的觀測資料，完成星表的編算工作。第谷還特別交代，為報答魯道夫二世對天文工作和他本人的關心和支持，這份星表擬取名為《魯道夫星表》。　　一旦答應了的事，開普勒就決定克服一切困難去做到。只是由於種種原因，直到1627年，他才完成了編製星表的工作。而且，為了對世人和科學負責，也是為了對自己的恩師負責，《魯道夫星表》不是以已證明為不正確的第谷混合型宇宙體系為基礎，而是以行星運動三定律為核心的開普勒的日心理論為基礎編製出來的。正是因為這個緣故，由這個星表推算的行星位置同哥白尼推算的行星位置相比，精度要高出兩個數量級。學生終於沒有辜負老師的遺願和期望，在以後的一個多世紀里，《魯道夫星表》一直被看作是天文學的標準星表。　　但是，命運對這位偉大的「天空立法者」是極不公正的。開普勒一生坎坷，幾乎總是在深受病痛的折磨下從事艱苦的科學研究，而且即使在對人類的科學事業作出了非凡的貢獻以後仍然得不到應有的支持。貧窮的陰影更是一直在威脅著他，特別在保護他的皇帝被迫退位以後，皇室長期拖欠他作為一個皇室天文官的薪俸不發，致使他不得不為養家糊口而給有錢有勢的人占星卜命。他與同時代的義大利科學家伽俐略曾經是相互支持的莫逆之交，但宗教上的糾紛和麻煩曾使伽俐略不敢與他往來，並拒絕了他想要一架望遠鏡的要求，最後甚至斷絕了書信聯繫。　　1630年10月，瀕臨絕境的開普勒不得不長途跋涉去索取皇室應該給他的那份已經拖欠了很久的薪俸。心力交瘁和貧病交迫的開普勒終於卧床不起，於這一年的11月15日凄涼地離開了人世。
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