天体运行立法者开普勒，本文主要内容关键词为：立法者论文,天体论文,开普论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 前言
开普勒因发现天体运行三定律被人们称为天体运行的立法者.实际开普勒对科学的贡献不止这些，是他第一个成功地将数学用于物理定律的表达，是他开辟了万有引力研究的正确道路.
开普勒从小体弱多病，幼儿时的猩红热、天花不仅在他脸上留下斑痕，而且损伤了他的眼睛，他家境贫寒，但才华横溢.他是一个毕达哥拉斯主义者，他要揭开宇宙数字“和谐”的秘密，他是一个哥白尼学说的忠实信徒.
开普勒在作第谷的助手前是一个神秘主义者，他的《宇宙的神秘》一书除了表现了他的数学天才，宇宙的神秘和虔诚的宗教信仰外，对科学贡献甚微.第谷把他引向尊重实验观察数据的正确道路.从此以后他变成了一个近代物理学家.他在天文学的研究中表现了自己的物理思想，发现了引力的概念，最后发现天体运行三定律.
伴随开普勒一生的是疾病和贫困，此外就是他的科学事业和科学思想.
本文重点剖析开普勒是怎样发现天体运行第二定律的.第二定律是三定律中最早被发现的，它的发现过程揭示了很多耐人寻味的认识论问题：尊重科学实验和科学观察数据；物理学思想；“私人”科学和“公众”科学；以及归纳法的另一种形式.
2 从神秘主义者到近代物理学家
开普勒是历史上少有的从神秘主义者转到近代物理学家的例子，这同他处的时代有关.
柏拉图曾构造了一个以地球为宇宙中心的宇宙体系.他曾假定各天体的同心球是靠五个正多面体连接起来的：多面体的顶角同外层球相接，而它的面则同内层球相切.但柏拉图并没有认真考虑过这一问题：在他的体系中，除宇宙的中心地球外，有七个行星——月亮、太阳、水星、金星、火星、木星和土星.五个多面体和七个同心球是无论如何不能满足柏拉图假定的条件的.所以这一假定远没有前文讲的柏拉图问题有名.顺便说一下，行星是七颗还是六颗曾被经院哲学家作为反对哥白尼学说的证据，其理由是人头有七孔.今天看起来这是如此荒唐.但实际这也来自柏拉图大宇宙、小宇宙一种拟人的类比，并不是经院哲学家的发明.
日心说产生以后，地球和太阳的位置互换了，月亮成了地球的卫星，这样，当时发现的行星就不是七颗，而是六颗.柏拉图的设想就可能存在了.
柏拉图这一设想的解并不一定存在，另外即使肯定存在，在当时找到它的解也相当困难.开普勒表现了极高的数学天才，他居然找到了解.当然行星到太阳的距离的值不是精确的.
今天看起来这也许仅是个数学游戏，但在亚里士多德的体系中，构成宇宙的土、水、气、火、以太五元素是同五个正多面体联系在一起的.毕达哥拉斯的万物皆数不仅包含数的和谐，而且包含万物生于数.开普勒实际上通过五个正多面体将构成宇宙的五元素和天体的六颗行星联系在了一起，这是多么的奇妙，多么的神秘.但这对科学的发展又有多大的促进作用？
第谷在给开普勒的一封信中劝导他：“首先通过实际观察为你的观点打下坚固的基础，然后由此出发努力研究事物的原因.”开普勒听从了第谷的这个劝导，他发现椭圆轨道前，利用了各种理论模型，为了那8弧分，他用模型同第谷观察数据进行比较，反复修正自己的理论模型，直到发现椭圆轨道.这些在一些物理史学书中有很好的描述.
3 引力的物理思想
有一些物理史的书讲到开普勒在发现天体运行三定律后，开始探索是什么原因使天体这样运动，但没有成功.这听起来很合理，但不符合历史事实.
在《宇宙的神秘》一书中，开普勒写到：“我一度坚信驱动一颗行星的力量是一个精灵……，而当我想到这个动力随距离的增大而不断减弱的时候，我得出了下面的结论，这个力必定是实在的…….”
开普勒在1605年给友人的一封信中明确指出：“我在大量地从事物理原因的研究，我在这里的目的是想证明：与其把天体机器比作神的机体，不如把它比作时钟装置.到此为止，几乎所有各种各样的运动都是由单一的十分简单的磁力来实现的，就像时钟的装置一样，它的所有运动都是由简单的重量引起的.此外，我还想说明这个物理概念怎样通过计算和几何表现出来.”
我们引用的这些话都是在天体运行第一、第二定律发表前讲的，这说明开普勒思考行星运行的物理机制在三定律发现之前就开始了.
另一个证据则直接说明开普勒的这种思考对他发现天体运行三定律的影响：开普勒认为行星运行的轨道应是真实的轨道，真实的轨道应有其物理意义.均轮一本轮结构中的本轮的圆心完全是一个虚构的点，是毫无物理意义的.这个想法使他放弃了均轮一本轮结构，开始采用偏心点，偏心等距点的结构.可以肯定地讲，如果不放弃均轮一本轮结构，不可能发现天体运行第一、第二定律.
这一转变在物理学上意义重大.开普勒思考天体运行问题加进了物理思想，开始追求事物发展的动力因.而在这以前，思考天体问题是用柏拉图先验的思辨，在亚里士多德那里追求的是目的因.
4 等面积定律是怎样被发现的（1）
开普勒怎样发现等面积定律的，大多数物理史书的介绍都是来自开普勒的原著，简单叙述如下：开普勒对第二定律的发现是令人诧异的，因为他从三个不正确的假设推导出正确的结论.首先他假定行星是受到从太阳发出来的一种力的驱使而在它们的轨道上运动的，这种力的强度与行星到太阳的距离成反比.其次他假定行星的速率一定同推动它的力成正比，这一假设来自亚里士多德学派的见解，或者是开普勒及其所有同时代人共有的一种肤浅见解.第三个假设并不重要，说行星运动的轨迹是个圆.根据第一和第二个假设，开普勒得到行星运动速度同它到太阳的距离成反比.如果行星运动的速度同它到太阳的矢径垂直，则可以得到等面积定律.开普勒实际只证明了在近日点和远日点等面积定律成立.后来牛顿指出了这一点.
开普勒发现天体运行第二定律的过程真是上画所写的吗？从一个错误的假设只能得到一个错误的结论，只有从两个以上错误的假设才可能得到一个正确的结论.但这样的几率又有多大.又有什么规律可言.在我看来，上面的描述只能是开普勒发表发现的一种方式，它不同于真正的发现过程.
古希腊人早就发现，太阳离地球远时运行速度慢，离地球近时运行速度快.哥白尼重建日心说后.太阳和地球变了位置，只相当于矢径改变了方向，结论本质是一样的.开普勒开始选择的是偏心点，偏心等距点结构.根据它们的定义，太阳位于偏心点，地球在一个圆上绕偏心等距点作等角速运动.根据这个定义，读者不难证明对近日点和远日点等面积定律.我们不知道开普勒是从这里得到的，还是从实验数据一点一点地分析得到的等面积定律，或者两者都是.但我认为在开普勒没有原著讲的推论前，他已经知道等面积定律.他要做的是给出让别人，包括他自己可以接受的理由.
在开普勒时代认为力和物体运动的速度成正比是自然的.这样从他猜到的等面积定律及力和速度成正比的传统观点，开普勒不难反推出行星受的力同它到太阳的距离成反比.
让开普勒接受太阳驱使行星的力同到行星的距离成反比不是件容易的事.早在古希腊时期，人们就知道测得的光强同到光源距离的平方成反比.开普勒还对这一平方反比定律给出过一个证明.在科学发现中，类比方法用得是最多的，可以相信开普勒也用了类比方法，后来的布里阿斯德就从简单的这种类比得出引力的平方反比定律.可以相信开普勒开始得到的也是平方反比定律.但这和反推的要求相矛盾.开普勒必须协调这个矛盾.他确实做了，光的发射是向四面八方的，如果发射的是一种“物质”、微粒……，并且遵守守恒定律，测得的强度就要同距离的平方成反比.开普勒注意到行星运行轨迹在一个平面内，他想类似的发射也在进行，但发射被限定在平面内，那就只能是这个驱动力的大小同距离成反比，而不是同距离的平方成反比.
5 等面积定律是怎样被发现的（2）
前一节讨论的只是对一个行星怎样发现等面积定律这一性质的，这节讨论它怎样作为行星运行的一个普遍定律提出来的.这时一定会用到归纳推理，由于当时发现的行星只有六颗，这只要有限归纳就够了.归纳推理的程度是：
有性质P
有性质P
，……属于a群
结论：a群每一个元素都有性质P.
没有人相信，有性质P和有性质P在这个问题上的发现过程是相同的.开普勒先从地球的运行轨道得出等面积定律，这时他就会检验其他星球的运行轨道符合不符合等面积定律.他不可能重复地球等面积定律发现的过程.他的发现归纳可以写成程序：
有性质P
属于a群
猜到a群有性质P
检验a群元素有无性质P
结论：a群每个元素都有性质P.
在这里我们强调：有性质P和，有性质P的发现过程是不一样的，a群各元素有性质P得到的前后是不一样.在有性质P的发现过程中，演绎逻辑也是起作用的.
6 结束语
前面我们介绍了开普勒发现等面积定律的个人素质和方法，下面谈点别的.
在前面我们说了从错误的假设得到正确的结论几率是非常小的，那么从结论的正确能否推知假设的正确呢？这是一个永远值得思考的问题.本文不可能对此展开更多的论述，这同具体情况有关.
对于开普勒发现天体运行第二定律的过程，这里给出了一个与其他一些学者不同的答案.其他学者的意见直接来自原著，我们这里的答案猜想反倒更多些.这里之所以这样做，是因为个人的发现过程属于“私人”科学，而科学成果的公开属于“公众”科学，这两者会有很大区别.
核物理学家H.D.Smyth曾这样说过：“在科学方法中有一种佯谬，研究人员往往像艺术家那样思索和工作，但当他用事实，符号和思想中的逻辑顺序说起来时不得不像记帐员.”
我绝没有认为研究原著不重要的意思，但绝对不能简单地认为原著就完全真实地反映了作者的探索过程.在分析一个科学家时，探索他的思维过程可能对我们后人更有益.
对开普勒发现第二定律的过程本文所作的仅是一个探讨，事实是否如此难于判断，仅供参考.可以肯定的是：本论文的形成过程同现在放在读者面前的样子是不一样的.