男人来自火星,为什么火星老是出轨?

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1577年,大明的第一宰相张居正被一颗划破天空的明亮彗星折磨。“时彗星从东南方起,长亘天,人情汹汹,指目居正,至悬谤书通衢。”

当时张居正的父亲刚病逝,按照明代礼制,他应回家丁忧守制两年,而万历帝听从冯保的建议下诏夺情,但是朝中要求他回家尽孝的声音汹涌不绝,这就是改变历史的“夺情事件”。关键时刻,这颗彗星给了迷信天人感应的守旧派强大的借口,通衢满街地发传单,给张居正扣上贪权不孝的帽子。

那一年,丹麦才华横溢的天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)也正仔细观测同一彗星,并详细记录了这颗彗星在行星之间的穿行,从而颠覆了千年之久的亚里士多德世界观。

同一年,一位六岁的德国小男孩被妈妈拉着手带到一处高地,抬头仰望天上这颗壮观的彗星,从此奠定了他一生对天文学执迷不悔的兴趣,他所取得的伟大成就让后人尊他为"天上的立法者"。

在这一刻,不但他们的视线相交于这一颗彗星,他们的人生也会在未来的某一时刻相交造就历史上最成功的合作,他们的伟大成果和理论体系随后更是越洋万里来到晚明的中国,成为之后几百年直至今天中国天文历法的坚实基础。

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开普勒在小时候看过的1577年大彗星

1这个六岁的德国小男孩就是为星星制定法律的约翰内斯·开普勒(ohannes Kepler),他于1571年生于德国威尔的一个贫民家庭。爷爷曾是当地的市长,但很快家道中落,家中三代十几口人挤在破瓦寒窑中,两个弟弟早夭,更有当雇佣兵的父亲,在开普勒五岁时就浪迹天涯,17岁后就再无音讯。

第谷1546年生于丹麦一个世袭贵族家庭,他的父亲曾许诺将他送给膝下无子的伯父。但估计后来后悔了,结果第谷两岁时,伯父将他抢走,从此他就成了伯父富可敌国财产的继承人。

开普勒除了穷,还残,他是一个早产儿,自幼体弱多病,四岁时因感染天花和猩红热,导致眼睛严重近视和散光,一只手也基本废掉,就这样年少而残。

含着金钥匙出生的第谷后来居然也成为残废,20岁时,他参加一位教授的婚礼舞会,因为一个数学问题,与另一个丹麦贵族发生争吵,而后居然相约以决斗的方式来解决数学分歧,估计他们觉得谁剑术高,谁的数学就好。

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这已经是够奇葩了,更奇葩的是,决斗中,第谷被对手砍掉了鼻子,成为三等肢体残废,最后不得不用银和金分别仿造了个假鼻子用胶水粘在脸上。在他死后三百年,当尸体被挖掘出来时,假鼻子竟然完好无损!

穷人的孩子早当家,开普勒10岁时就要帮忙家里做农活,13岁时进入了一个神学院, 16岁靠奖学金进入图宾根大学,取得文学硕士学位后,为了当一名路德教的牧师,又留校学习神学,其后当过讲师,御用数学家,绘图师,宫廷天文学家等等。但他终生穷困潦倒,先是母亲被指控巫术罪而入狱,为了解救母亲他耗尽了精力和家财,又时常遇上削减和拖欠工资,甚至连政府也给他"打白条",他后来穷到12个孩子大多都在贫病交加中夭折,妻子精神失常先他而去,他自己最后骑着一匹瘦马去千里讨薪,上演了一出德国版的"古道西风瘦马"悲剧,无奈在路上发烧病饿含悲离世。

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所谓天将降大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空乏其身……,但这天降的大任要大到什么程度才能让开普勒的人生如此悲催?

富N代第谷一生衣食无忧,财富自由,自由到想去哪个名牌大学就去哪个大学,他13岁就进入整个欧洲最名牌的大学--哥本哈根大学,16岁到莱比锡大学,20岁至罗斯托克大学,23岁考入巴塞尔大学。

开普勒的成名是很偶然的,他为了混口饭吃,兼职做他根本不相信的占星家,每年为地方出一本黄历,有次他的黄历预测:某年,天气将会奇冷,土耳其人会入侵。结果神奇的巧合来了,预测全中,于是名声大震。

第谷的成名就高大上多了,他在1572 年发现了一颗超新星,后人命名为"第谷新星"。新星在仙后座,最亮时甚至白昼可见,第谷发表了详尽的"新星"观测论文,粉碎了长期称霸天文界的亚里士多德"水晶球"体系,这让第谷誉满天下,不到三十岁就成为丹麦首屈一指的天文学家。

第谷不但继承了几个主要贵族家族的家产,丹麦腓特烈二世国王还赐给他一个岛(汶岛)让他当岛主,并提供一度达到丹麦年财政收入百分之一的资金支持。作为岛主,第谷还对岛上的居民享有领主权,可以让他们无偿为他服劳役。

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拥有这样得天独厚的优势,第谷在汶岛上建了两个大型雄伟的天文台"天堡"和"星堡",雇佣了四十多个助手,并设计和制造了许多史无前例当时最先进的大型天文仪器。第谷是名符其实的天文仪器设计和制造大师,今天,欧洲天文学会为了纪念他对天文仪器的贡献,在2008年设立了第谷·布拉赫奖,旨在奖励对欧洲天文仪器的开创性发展和利用。

上帝神奇地让这完全是两个世界的人产生了交集。

开普勒在他早期所著的《神秘的宇宙》(1597年)一书里构造了一个基于正多面体的宇宙模型,虽然非常美妙,但是毫无学术价值,但让他的数学才能霸气侧漏,并成功引起了第谷的注意。

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开普勒在《宇宙的神秘》中关于太阳系的实体模型(1596年)

1600年1月的某一天,开普勒成为了第谷‧布拉赫的学生兼助手,从此揭开了科学史上最伟大的合作之一,标志现代自然科学两大基础--理论与实验的第一次携手。他们俩只有结合在一起,才能互相成就。

2在汶岛,第谷与他前后近百位学生与工匠进行了长达21年坚持不懈的观测,收集了关于太阳、月球和行星运动非常准确的观测数据,这些天文数据不但是最全的,而且精度达到了肉眼的极限。

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第谷的观测绘图,身后是著名的墙象限仪。

《世界观》这样赞美第谷:他很有可能是人类历史上仅靠肉眼进行观察的人中最为优秀的一位了。

作为"星学之王", 第谷绝对是天文观测者中的王者,在他含有777颗恒星的星表中,最亮恒星的位置已精确到1弧度左右。但是第谷最骄傲的却是他的宇宙论。

他提出了一种新的宇宙图景,将"日心"和"地心" 综合创立了一个混合体系—第谷体系,以第谷和星星的亲密关系,他完全知道托勒密地心说的荒谬,但是为了避免争议,他在哥白尼保守的地方创新,在哥白尼创新的地方保守。因此他还是将地球安置在世界中心,让太阳带着其他五个行星绕地旋转,从而避免了哥白尼地动说带来的种种挑战,因为运动其实是相对的,地球绕太阳旋转,确实也可以看成太阳绕地球旋转。

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第谷认为,地球在运动的说法"不仅违反了所有物理真理,而且违反了圣经的权威"。此外,按照哥白尼日心说,地球公转则必然可以观测到恒星的周年视差,而第谷凭借着当世最精密的仪器也无法观测到。哥白尼日心说的这两个困难,在当时确实无人能解,要等到日后两个"天选之子"的出现才能完美回答。

第谷体系直接打碎了托勒密体系和哥白尼体系都有的水晶球,因此在1588年问世后被欧洲大部分科学家接受,一下成为钦定的宇宙体系,并影响了其后大部分宇宙体系,它虽然在"简洁"上不如哥白尼体系,但在"密"(精确)方面则大大超过后者。

今天对第谷体系的陌生和冷漠,其实是对那段近百年历史的不熟悉或者误读。

第谷体系后来飘洋过海来到中国,被徐光启领导的明朝历局采用,成为当时代表当时世界先进水平的巨著《崇祯历书》的基础,极大提高了日月食和其他天文计算的精确度,是历法史上的彻底革新,奠定了迄今为止300多年中国历法的坚实基础,之后更成为中国学习天文的主流源头。(参看拙作:中国最伟大的发明不是四大发明,而是......)

但是第谷最大的成就其实是发现了开普勒,他独具慧眼发现了开普勒的天文和数学天赋并对其寄予厚望,第谷在临终前将自己耗尽毕生心血积累的天文观测资料和手稿全部交给了开普勒。

据说第谷还给自己写了墓志铭:他像圣人一样生活,像傻瓜一样死了(He lived like a sage and died like a fool。)而他的死也确实像傻瓜,因为第谷参加宴会,拒绝离开,结果被尿活活憋死,丹麦科学家团队最新分析证实了这个离奇的传说:他的死因是膀胱破裂。

虽然不是死得光荣,但第谷确实已经享受了毕生的荣光。

3开普勒从小近视,而且年纪越大越严重,加上单手残废,要做天文学家,属于严重先天不足,但命运让他神奇地拥有了世人梦寐以求的宝藏--第谷的最全最精确的观星资料。从此,在浩如烟海的数据中,他只要尽情地发挥出自己的数学天赋,伟大的行星运行规律就隐藏其中。

第谷和开普勒在任何时代都能成为绝配,他们一个是谷歌爬虫,负责采集数据,一个是亚马逊的云计算,专营大数据分析。

第谷曾对开普勒说:"除了火星所给与你的麻烦之外,其他一切麻烦都没有了。火星我也要交托于你,它是够一个人麻烦的。"

火星为什么这么难搞?因为火星老是出轨。

第谷和开普勒发现,不论是哥白尼体系、托勒密体系还是第谷体系,没有一个能与第谷的最丰富最精确的火星观测资料相符,火星从来不在这几个体系所预言的"完美的圆形"轨道中老老实实地运转。

火星除了经常出轨,还有奇怪的"逆行"现象。这些难题已经困扰了天文学界几个世纪。

开普勒知道第谷的实验数据绝对可靠,那么问题出在哪里呢?

开普勒与(火星)进行了持续多年的 "战争", 他曾诙谐地写道:"我预备征服战神马尔斯,把它俘虏到我的星表中来,我已为它准备了枷锁。但是我忽然感到胜利毫无把握……,这个星空中狡黠的家伙,出乎意料地扯断我给它戴上的用方程连成的枷锁,从星表的囚笼中冲出来,逃往自由的宇宙空间去了。"

开普勒计算出来的火星位置和第谷数据之间仅仅相差8弧分(这个角度相当于表上的秒针在0.02秒瞬间转过的角度),但就这8分改变了天文学。

开普勒自己写道:"上天给我们一位像第谷这样精通的观测者,应该感谢神灵的这个恩赐。一经认识到这是我们使用的假说上的错误,便应竭尽全力去发现天体运动的真正规律,这8分是不允许忽略的,它使我走上改革整个天文学的道路。"

开普勒终于意识到为了让火星不出轨,火星的轨道应该是---椭圆。

开普勒在1619年出版的《宇宙和谐论》这样表述:每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

这就是伟大的开普勒行星第一定律。

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用椭圆解决了火星出轨问题后,加上哥白尼的"地动说",火星奇怪的"逆行"难题,也就轻轻松松迎刃而解了。

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开普勒在解决火星出轨问题的过程中纯属天才地利用火星和太阳为不动点,用火星已知的公转周期分割数据,运用 "三角测量法"确定了地球的运动轨迹。这个天才的方法天才到连"天才之王"爱因斯坦都称赞是"真正的天才想法"。

得到地球的轨道后,开普勒又继续用这个天才的创意反其道行之,以地球为固定参考点,计算出了所有行星的轨道。

另一方面,在精密的计算中,开普勒早就发现火星也没有做匀速运动,而是在近日点运行速度快,远日点速度慢。

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1602年底,开普勒运用几何学重新阐述了这个比例:行星在同样的时间内扫过的面积是相等的——开普勒行星第二定律(开普勒发现第二定律的时间比第一定律更早,从现代角度出发,等面积定律更容易理解为角动量守恒)。

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行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积

开普勒在1609年发表的伟大著作《新天文学》中首次提出这两个伟大的定律,这两个定律一经确立,就从根本上摧毁了本轮系,巩固了的理论,从而奠定了经典天文学的基石。

《新天文学》被认为是天文学上最重要的书之一.

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他只要七个椭圆就让太阳系的六大行星加月亮乖乖听话,再不出轨。而哥白尼要用34个圆,托勒密要用60个。(参看拙作:哥白尼 - 被徐志摩、倪匡等“烧死”的盖世英雄)

开普勒虔诚的信仰上帝,他始终相信上帝创造的世界和谐简洁完美,那环环相套的无数的本轮和均轮,都不是真实的宇宙世界,上帝本身就是证明。开普勒就是秉持这样的信仰,天马行空地想象,废寝忘食地研究,实事求是地求证,从信仰开出绚丽的科学之花。

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开普勒定律成了天空世界的"法律"。后世学者尊称开普勒为"天空立法者"。

但是,星空中还隐藏着另一条伟大的定律,为了美丽的她,开普勒还要再花费十年的时间去苦苦追寻…… (且听下回分解)

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