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却说,火星越是从开普勒的圆圈里溜掉,开普勒就越是不厌其烦地寻找新的圆圈。这天布拉格来了一位老翁,叫马斯特林,是开普勒的恩师、挚友。当年开普勒在图宾根神学院临毕业时,正是这位数学教师保举位列格拉茨去教数学,使他从此离开神学步入了科学领域。多年来他们一直保持通信,探讨天文、数学、物理。这次他远道而来,见到开普勒屋子里许多乱七八槽的圆圈,便奇怪地问他:“朋友,我不知道你这些年到底在干什么?”
“我想弄清行星的轨道。”
“这个问题从托勒玫到第谷,不是都毫无疑问了吗?〃”
“不对,现在的轨道和第谷的数据还有8分之差。”
马斯特林摸着一头白发不禁失声叫了起来:“哎呀,8分,这是多么小的一点啊。它只不过相当于钟盘上秒针在0。02秒的瞬间走过的一点角度。我的朋友,你面前是浩渺无穷的宇宙啊,难道连这一点误差也要引起愁思?难道你就不怀疑第谷会记错吗?”开普勒虽然神色疲倦,但是口气却十分坚决地说:“是的。我已经查遍了第谷关于火星的资料,他二十多年如一日的观察数据完全一致--火星轨道与圆周运动有8分之差。感谢上帝给了我这样一位精通的观测者。这8分决不敢忽视,我决心从这里打开缺口,改革以往所有的体系。”
“既然第谷的那许多观测都是对的,为什么他自己没有对行星轨道提出怀疑?”
“老师,我对第谷的尊敬决不亚于对您。请容我直言一句:第谷是个富翁,但是他不懂得怎样来正确地使用这些财富。”
正是:
搜求证据莫无边,证据还须理来穿。 纵然摸瓜百十千,不如抓住藤一端。
老师不说话,他想,几年不见,他变得固执狂妄了。
妻子的反对,老师和朋友们的反对,周围人的不理解,没有使开普勒动摇。他没有像第谷那样决心要研究一千个星,而他相信规律只有一个,便紧紧盯住了一个火星,解剖现象,探求规律。他不仅是一个天文工作者,而且也是一个热爱数学,又教过多年数学的人。几何学要来帮天文学的忙了。开普勒从那许多圆圈里找到了蛛丝马迹。古希腊的阿基米德就知道世界上不只是有一个圆,还有更复杂的圆锥曲线。开普勒终于发现,火星的轨道不是圆,而是椭圆。他用这副笼头去套那个火星烈马,就范了。第谷的数据天衣无缝。这件天文史上划时代的大事出现在公元1605年。这个发现就是后来称之为开普勒第二定律的椭圆定律。这之后,他还发现了第一定律:行星绕太阳作圆周运动在一定时间内扫过的面积相等,即等面积定律。
正是:
人说大海捞针难, 更有捞针宇宙间, 探微察变须认真, 一洞进去是桃园。
为甚么一个看来很简单的题目拖了千百年后才由开普勒揭晓呢?尊敬的读者,容我这里补叙几笔。圆有一个圆心,椭圆有两个焦点。椭圆度到底有多大全靠两个焦点距离(焦距)与椭圆的长直径(长径)来决定。即e=c/a,可以看出,当两个焦点越来越近,直到重合时,c=0,因此e=0,椭圆就是圆。所以圆实际上是椭圆的特殊形式。但是,茫茫宇宙中,行星绕太阳转的那个无形的圈子e值是很小的,所以,以往的天文学家都把行星轨道当作圆来看待。这首先要感谢第谷那二十年来精确的观测,还有开普勒精明的计算。更幸运的是,他又正好选中火星这个典型来解剖,而火星恰是太阳系中椭圆度最大的星,这个天机终于被他看破了。
再说开普勒发现了火星的椭圆轨道,真是高兴得如癫如狂。他立即写信给他的恩师、老友马斯特林。不想马斯特林对他这一新发现置之不理,而欧洲其他有名的天文学家对他更是公开的嘲笑。这让他想起一个人来,就是意大利的伽利略。在伽利略最困难的时候,开普勒曾写信支持他说:“伽利略,鼓起勇气,站出来!我估计欧洲重要的数学家中只有少数几个会反对我们。真理的力量无比强大。”而伽利略对他却很冷淡,连信也不回一封,连他一再想要一架伽利略新发明的望远镜也没有得到。而这同时,伽利略却写信给科斯特公爵,把他捧为太阳,愿去做他的宫廷数学家。后人猜测,伽利略可能是忌妒他的发现。反正,伽利略的这种沉默成了科学史上的一个谜。开普勒兴冲冲地取得这个发现,又冷冰冰地碰了这许多壁,此后便闭门不出,一人为写书来。过了些日子,一本记录有他的这个伟大发现的《新天文学》便完稿了。这天他将手稿装订好,放在案头,像打了一个胜仗一样高兴。虽然家境日趋穷寒,他还是连呼妻子预备一点酒菜,要自我庆祝一番。妻子见他这样,脸上也泛出一点笑意。正当全家人难得高兴一会儿时,突然有人“当当当”叩了三下门。开普勒连忙起身开门,门还末完全打开,他倒暗自叫起苦来,刚才做脸上的那点喜气霎时也无踪无影。来人也不与主人寒暄,进门走到桌旁大声喊道:“开普勒,你好大胆子,不经我的同意,你就敢偷偷出书?”
究竟来人是谁,且听下回分解。
第二十三回
智达宇宙 有权立法束众星,贫病一身 无钱糊口死他乡
——开普勒第三定律的发现 上回说到开普勒在第谷死后经过四年的辛苦研究,终于弄清了行星的椭圆轨道,刚写成《新天文学》一书准备出版,突然有人闯进家来横加干涉。来人正是第谷的女婿滕格纳尔。他拿出当年第谷临终时的话来要挟开普勒,并以第谷遗产继承人的身份提出:要出书,也得署上他的大名。开普勒气得半天说不出话来。他曾答应过第谷,以后写书用老师的观点。可是他现在的认识已比老师进步许多,怎好再后退回去?这样,书只好不出。又拖了四年,直了1609年,双方互相让步,答应可以让滕格纳尔写一篇文章放在书的正文前页,这本书才算出版。在这篇文章里,这个女婿对开普勒的新体系进行了一通攻击,大喊开普勒对他岳父如何背叛。但是不管怎样,书总算出了,作为现代天文学奠基石的开普勒第一、第二定律也总算正式问世。
开普勒在研究火星轨道问题时,心中无时不在惦念着第谷托付的《鲁道夫行星表》。可是,整个国家政局不稳,宗教斗争严重,炮火连天,哀鸿遍野。开普勒被迫离开首都布拉格,居住在多瑙河边的一个叫林茨的小城里,任数学教师。
这天早晨,他凭桌傍窗而生,望着窗外多瑙河面上粼粼水波,不觉犯了愁思,直瞅着那河,像个木头人似的呆坐了很久。过去是决没有这种情况的,只要一靠近桌子,就像磁石见铁一样埋头写作、计算,而近来他有说不出的烦躁和凄凉。他这个数学家已名存实亡。他想起1611年——那个最使他辛酸的年头。这年2月29日,他最心爱的小女儿夭折;3月24日,政变部队拥进首都,他的靠山鲁道夫皇帝不久身亡;7月8日,他的夫人去世……而新皇帝不喜欢他,他只好离开首都来到这个小地方。家破人亡,靠山倒台,他的境遇十分艰难。恩人鲁道夫死了,但以他的名字命名的《星表》还未编成。他本想隐居此地埋头整理《星表》,但是1618年开始了一场“三十年战争”。他的薪水总是一再欠拖。他穷得连一个助手也雇不起。现在第谷的那些资料,倒是都已在他的手中,那个总是捣乱的滕格纳尔也家境败落,自顾不暇,不再找他纠缠。可是身无分文,连那个他视为知己的伽利略,近来也拒绝与他通信了……他这样对着多瑙河想了一番心事,叹了几口气,也无可奈何,又提起笔,对着第谷留下的那一堆数字去动脑子。
行星是在作着椭圆运动,但是它们绕太阳一周到底要多少时间,为什么有的快,有的慢呢?这茫茫宇宙是无法丈量的。多病、穷困但又十分聪明的开普勒想出了一个妙法,它将人们最热悉的地球到太阳间的距离R定为1,地球绕太阳的公转周期T是1年,这样以此为标准,再换算其他行星的周期和距离,便得到这么一堆数字:
行星 T R
水星 0。241 0。387
火星 1。881 1。524
金星 0。615 0。723
木星 11。862 5。203
地球 1。000 1。000
土星 29。457 9。539
他们之间到底有甚么联系?开普勒看来看去,这些数字四散在桌子上,它们之间就像多瑙河里的鱼,桌上的蜡与天花板上的尘土一般,看不出一点的联系。但是开普勒坚信宇宙是一个和谐的整体。他和数学家毕达哥拉斯一样,认为世间一切物体都有一定的和谐的数量关系。于是他使将这一堆数字互加、互减、互乘、互除、自乘、自除,翻来倒去,想碰碰能否发现它们之间的规律。这样变了一阵“魔方”,但终究还是乱麻一团。
大约有很多日子,他就这样,一直在乱麻堆里寻求和谐。现在出入书房送茶倒水侍候他的,自然已不是先前那位跟着他吃尽苦头的贵族出身的夫人了,而是一位年龄与他相差甚大的少妇。原来,开普勒的原配夫人死后,由于他的名望,立即有11位姑娘来做他的夫人候选人。这个极讲和谐的科学家选夫人却也有趣。他自知自己瘦削,所以第一个高大强健的女子便被淘汰;第二个矮胖女人也不在入选之列;直到最后,他选了一位不高不矮,身体略瘦的木匠的女儿。他选结婚的日子,也很特殊,得在“天文学的精灵藏匿不见的月蚀那一天”。1613年10月30日他们终于完婚(其实由于计算不准,这日子比月蚀晚两天)。从此,在开普勒绞尽瑙汁追求天体和谐的日日夜夜里,就是这位与他的体形、性格都和谐的年轻夫人服侍着他。
一天早晨,红日照进书房,一夜没有离开桌子的开普勒正把头埋在稿纸堆里,夫人轻轻走了进来,先吹灭桌子的蜡,又伸手去推窗户。突然开普勒霍地从椅子上弹了起来,一把拉住夫人,“啊,我亲爱的,我找见了,我发现了。感谢上帝将你赐给我,我们是这样的和谐,宇宙是这样的和谐。啊,发现了!弄清了!”他说着甩开夫人,自己上去一把推开窗户.多瑙河上带有雾气的凉风吹了进来,拂动他蓬乱的头发。妻子以为他累疯了,忙喊:“开普勒,亲爱的,你怎么了?”开普勒甚么也不说,忙将一张纸片递给妻子,这张纸上是这样几行数字:
行星 T R T2 R3
水星 0。241 0。387 0。058 0。058
金星 0。615 0。723 0。378 0。378
地球 1。000 1。000 1。000 1。000
火星 1。881 1。524 3。54 3。54
木星 11。862 140。7 140。7 140。7
土星 29。457 867。7 867。7 867。7
木匠的女儿自然不懂这些数字。但是现在我们却可以看出最后两列数字一模一样。开普勒做了那么多加减乘除之后,终于碰着了天体上的一个电钮,漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放光彩。原来行星绕太阳运转时,其运转周期的平方等于它与太阳间平均距离的立方:T2=R3。这就是后来所称的“开普勒第三定律”。这是一个天文史上极伟大的发现,开普勒的“和谐“思想找到了根据,它说明太阳与其他行星决不是一室乌合之众,而是一个极严密的系统-太阳系。
再说开普勒的妻子将这张纸片拿在手里正不知何意,却见开普勒不言不语,早伏在案头,又奋笔写起他的笔记:
“…这正是我十六年以前就强烈希望探求的东西。我就是为这个而同第谷合作……现在我终于揭示出它的真相,认识到这一真理,这已超出我的最美好的期望。大事告成,书已写出,可能当代就有人读它,也可能后世才有人读它,甚至可能要等一个世纪才有读者,就像上帝等了六千年才有信奉者一样,这我就管不着了。”
正是:
耗尽心血流尽汗,踏破铁鞋翻群山。 十年求得一个数,浸卷稿纸喜若癫。
开普勒写完这段话,把笔一甩,拉着妻子,便推门向外跑去。阳光灿烂,清风徐徐,多瑙河波光粼粼。他惊讶地发现大自然这样美好。多少年来,他一直是在黑洞洞的宇宙里探索,今天才有空儿留心一下自己所生活的地球,所傍依多年的多瑙河。开普勒将他的“第三定律”等成果写成一本书《宇宙谐和论》于1619年出版。开普勒发现的这三条定律可真是非同小可,它使那杂乱的宇宙星空顿然井井有序,开普勒自己也被后人誉为天空立法者。为了便于记亿这三条重要规律,单有一首打油诗唱道:
第一定律限面积,第二定律画椭圆, 周期半径归第三,天上从此再不乱。
发现第三定律后,开普勒一生的最后目标便是赶快完成《星表》了。但是战乱不断,他只好离开林茨,坐船逆多瑙河而上来到雷根斯堡,然后将妻儿留在那里,一人到乌尔姆组织印刷,后来又举家迁到萨冈。1627年,他将这本书的样本送给皇帝。他在致皇帝的呈词中这样倾诉自己的辛酸:“……经过二十六年的艰辛完成了奉献给陛下的这部著作…,我能说些甚么呢?我就像一个坐着一艘外国轮船的人一样,船在那儿靠岸我也只能在那儿上岸。仅此而已,别无他求。”1629年,这部《星表》终于开始印刷,但是开普勒这时已经穷得揭不开锅了。这天晚上,他把家人叫到一起,说:“我这一辈子研究天体,总算找到了他们和谐关系,可地球上总是这样乱哄哄的。我虽然有发现,有著作,可是现在却没有能养活你们的面包。我这一生的研究就到此为止了。明天一早,我就离开这里到林茨去,去给你们寻饭吃。那是我生活了多年的地方,那里的国会还欠我一大笔薪金,他们总不能这样拖到我死才还吧。你们在家里安心等着,我去些日子就会回来。”说完,他特别把他的女婿,也是他最信任的助手巴尔奇叫到跟前:“孩子,这是我过去写的两行诗,假如我死去不能再归,就请用它做我的墓碑碑文吧。”这两行诗是:
我欲测天高,现在量地深。 上天赐我灵魂,凡俗的肉体安睡在地下。
第二天全家人泣涕而别。
11月初,开普勒到达雷根斯堡。三天后,他突然发烧,在大路旁的一间小旅馆里,这位会使天上的众星都俯首听命的伟人就这样在孤独和饥饿中死去。这天是公元1630年11月15日。
第二十四回
千里投书 亿万里外猎新星,百年假说 一夜之间变成真
--海王星的发现 上回书说到开普勒以毕生精力刚弄清天体运动的规律,便穷途潦倒死于他乡。当时人们已经逐渐发现太阳系有水、金、地、火、木、土六大行星。1781年3月13日,赫歇耳又发现了第七颗行星——天王星。人们将这些行星按照开普勒的轨道一一摆开,倒也运转得服服贴贴。各位读者,前面我们讲过,自从哥白尼1543年出版《天体运行论》,提出“日心说”以来,这新天文学经历了许多苦难。布鲁诺被焚身,伽利略被判刑,开普勒又是这般下场。几代人以血泪汗水和泥终于筑成这座科学假设之大厦,呕心沥血,现在总算摸住了规律。他们的辛苦没有白费,就是我这写书人也在替他们感到无限的欣慰。
但是,到1821年有个法国人布瓦德,将1781年以来四十年的天王星资料进行了一番细细推算。这一算不得了,这天王星总也进不了开普勒的轨道。他又将1781年以前的观察资料(当时人们是将它错当恒星记录的)再算一遍,又是另一个轨道。事情又过了十年即1830年,有人将天王星的轨道再算一遍,却又是第三种样子。这下,已平静二百来年的天文界又哗然起来,难道是哥白尼的假设、开普勒的“立法”都错了?如果不错,那只有一种解释,就是天王星外还有一颗未发现的新星通过引力在影响它的轨道。但是经过八十年的探索,却杳无踪影。你想,天王星距太阳约28亿公里,绕太阳一周,要用84年,如果它的轨道外再有一颗星,找起来真是大海捞针了。
19世纪40年代,几乎全世界的天文学家都在为找这个暗藏的调皮鬼而绞尽脑汁。原来在宇宙中,这一颗星会对附近的另一颗星的运行轨道发生影响,这叫摄动。