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一閃一閃亮晶晶,克卜勒唱小星星?

寫這篇文章,還得感謝孫燕姿的新歌~~

孫燕姿:克卜勒

在高中時代時,「克卜勒」這三個字可能不那麼討喜,因為他的研究,提出了克卜勒行星運動定律,我們念書時也因而多了幾條公試要背、多了幾個不同的題型,又或許有不少人如我一般,高中畢業至今,三大定律的細節已忘的差不多了,僅記得橢圓軌道、半長軸的平方和週期有關係之類的…如今聽見孫燕姿唱「克卜勒」,或許會多了些朋友去拜見狐狗大神或維基大神,認識或重溫一下克卜勒。

克卜勒

克卜勒

克卜勒生長的年代,正好就在文藝復興時期的尾聲、科學啟蒙的開始,在哥白尼之後,克卜勒、伽利略分別從數學與觀測的貢獻,開啟了一連串科學的革命。在幾個世紀以來,西方世界一直保有古希臘時期哲學家的思想(這兒說的「保有」指的是沒有把過去的典藉抺殺,教會甚至還幫忙保留了一部分,另外還有十字軍東征時再度把這些過去知識再進口回來),從文藝復興開始,人們開始崇尚古典的文化,也開始探討古希臘的哲學與科學,最早的突破即是哥白尼提出了日心說,認為宇宙中心為太陽,而非古希臘天文學家托勒密所認為的地球為中心。

克卜勒也同樣的對此問題感到好奇,並且在求學過程中認識了哥白尼的學說,接著又從另一位天文學家第谷·布拉赫手中接下了珍貴的天文觀測資料。克卜勒雖然是天文學家,但他同時數學能力十分強大,結合了觀測資料與數學運算製作星表與研究天體運行,雖然繼承了哥白尼的理論,但也作了一些修正:

軌道不是圓形,而是橢圓的

其實,這也得從古希臘的哲學家談起,無論是哲學家,或是當代的科學家,多半都認為宇宙萬物之理是簡單的、和諧的。而用圓形來解釋行星的公轉軌道,無疑是符合簡單、合諧之理,然而在克卜勒計算火星軌道之時,也發現了以圓形來計算,與觀測總是有那麼一些誤差,也嘗試了把太陽稍微偏離圓心來計算,亦無法完美的解決誤差問題,這也花了他六年的時間研究。在1609年—-正好是伽利略發表望遠鏡那年,他在先著作《新天文學》中提出了行星運動定律的前兩項,第一是行星的軌道是橢圓形,而太陽位於橢圓的其中一個焦點上第二則是行星運行的速率,要用行星與太陽連線所掃過的橢圓面積來計算,在一定時間內所掃過的面積是相等的。話說這可是一大創舉啊!要知道,從觀測資料,我們僅僅知道行星運行的速率不是百分之百恆定的,且誤差十分微小(8分,角度上度分秒的分),如果當時克卜勒沒有進一步的闡述這件事,說不定也會影響後來古典力學的發展。

影響甚大的第三定律

第三個定律是在克卜勒出版《和諧的世界》時,撰寫於書中的,定律內容就是「行星公轉的周期的平方與離太陽的平均距離的三次方成正比」簡單來說就是T^2/R^3=1。這項定律只將行星運動的現象化為一個簡單的數學式,只有兩個參數、一個常數,不過牛頓的萬有引力定律就由此開始,當然牛頓究竟是不是被iphone打到而激發靈感就不得而知了!(作者按:經網友黃鈺程提醒後在此註明,此T單位必須為年、R單位為A.U.時比值才會為1,克卜勒當時提出此定律是發現其比值為一常數K,當萬有引力常數G出現後才有公式的推導印證。)

當然,在那個年代還沒有萬有引力解釋行星運動:這裡不得不提到之前孫維新館長曾說過的:「科學工作者研究自然的歷史,就是一連串『認錯』的過程」,當時克卜勒致力於觀察和計算,而大家問他是什麼樣的力量造成了這樣規律的行星運行?他聯想到了當時科學界最火的「磁力」,這個錯誤後來也隨著萬有引力的發展而被修正了。然而這亦無損於他的發現,畢竟如孫館長所說,科學是一連串的認錯,再修正的過程,世上許多道理亦是如此。

其它的影響與貢獻

其實克卜勒的貢獻還挺多的,包括發現超新星SN 1604,當然在這之前他的師父第谷也發現了另一顆超新星SN 1572,數字代表發現年份,話說伽利略還用1604年的那顆超新星來和當時不接受日心說的人PK。至於為何叫「新」星,則是當時第谷給SN 1572描述時用的名稱,後來20世紀後人們才將它列入超新星中。

剛好一直提到第谷,也不得不提一下,他其實是支持托勒密的地心說,而且想藉由進行天文觀測,累積了大量資料,想證明地心說才是正確的,而克卜勒一直想說服第谷,但是,直到第谷死去時第谷還是堅信他自己的想法,還希望克卜勤能幫他發揚光大,但是克卜勒卻…好啦,起碼克卜勒堅持下來才有後來天文學的發展。

另外,NASA還有一顆太空望遠鏡,其命名為克卜勒,其主要任務就是觀測太陽系外其它恆星的行星系統,也有不少人在期待它能否發現另一個地球!

克卜勒太空望遠鏡

克卜勒太空望遠鏡

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本文同時發表於作者部落格:地球故事書

關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。