A. 試述開普勒對經典力學所作出的貢獻.
開普勒是近代自然科學的開創者之一。在天文學方面如果沒有他,日心說的命運當時將是不確定的。他的三大定律奠定了經典天文學的基石,為牛頓數十年後發現萬有引力定律鋪平了道路。
他在科學研究中一貫堅持尊重事實的嚴肅態度,當他發現設想與事實不符時,就毫不猶豫地拋棄了它們。但他畢竟是中世紀與近代交替時期的人物,思想上必然帶有時代的局限性。
開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方面來看,開普勒的成就甚至給人留下了更深刻的印象。他更富於創新精神。他所面臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達,沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。
從開普勒取得的成果的重要性來看,令人感到驚奇的是他的成果起初差一點被忽略,甚至差點被伽利略這樣如此偉大的科學家所忽略(伽利略對開普勒定律的忽視特別令人感到驚奇,因為他倆之間有書信往來,而且開普勒的成果會有助於伽利略駁斥托勒密學說)。
如果說其他人遲遲不能賞識開普勒成果的重大意義的話,他本人是會諒解這一點的。他在一次抑制不住巨大喜悅時寫道:「我沉湎在神聖的狂喜之中……我的書已經完稿。它不是會被我的同時代人讀到就會被我的子孫後代讀到──這是無所謂的事。它也許需要足足等上一百年才會有一個讀者,正如上帝等了6000年才有一個人理解他的作品。」
但是經過幾十年的歷程,開普勒定律的意義在科學界逐漸明朗起來。實際上在17世紀晚期,有一個支持牛頓學說的主要論點認為開普勒定律可以從牛頓學說中推導出來,反過來說只要有牛頓運動定律,也能從開普勒定律中精確地推導出牛頓引力定律。
但是這需要更先進的數學技術,而在開普勒時代則沒有這樣的技術、就是在技術落後的情況下,開普勒也能以其敏銳的洞察力判斷出行星運動受來自太陽的引力的控制。
(1)什麼為經典力學鋪平了道路擴展閱讀
開普勒定律在天文學上有十分重大的意義:
首先,開普勒定律在科學思想上表現出無比勇敢的創造精神。遠在哥白尼創立日心宇宙體系之前,許多學者對於天動地靜的觀念就提出過不同見解。但對天體遵循完美的均勻圓周運動這一觀念,從未有人敢懷疑。
開普勒卻毅然否定了它。這是個非常大膽的創見。哥白尼知道幾個圓合並起來就可以產生橢圓,但他從來沒有用橢圓來描述過天體的軌道。正如開普勒所說,
「哥白尼沒有覺察到他伸手可得的財富」。
其次,開普勒定律徹底摧毀了托勒玫的本輪系,把哥白尼體系從本輪的桎梏下解放出來,為它帶來充分的完整和嚴謹。哥白尼拋棄古希臘人的一個先入之見,即天與地的本質差別,獲得一個簡單得多的體系。
但它仍須用三十幾個圓周來解釋天體的表觀運動。開普勒卻找到最簡單的世界體系,只用七個橢圓說就全部解決了。從此,不需再藉助任何本輪和偏心圓就能簡單而精確地推算行星的運動。
第三,開普勒定律使人們對行星運動的認識得到明晰概念。它證明行星世界是一個勻稱的(即開普勒所說的「和諧」)系統。這個系統的中心天體是太陽,受來自太陽的某種統一力量所支配。太陽位於每個行星軌道的焦點之一。
行星公轉周期決定於各個行星與太陽的距離,與質量無關。而在哥白尼體系中,太陽雖然居於宇宙「中心」,卻並不扮演這個角色,因為沒有一個行星的軌道中心是同太陽相重合的。
由於利用前人進行的科學實驗和記錄下來的數據而作出科學發現,在科學史上是不少的。但像行星運動定律的發現那樣,從第谷的20餘年辛勤觀測到開普勒長期的精心推算,道路如此艱難,成果如此輝煌的科學合作,則是罕見的。這一切都是在沒有望遠鏡的條件下得到的!