开普勒与开普勒定律

第谷于1601年去世。约翰·开普勒接管了第谷的工作，开始编纂鲁道夫的目录。然而，开普勒的兴趣和注意力更多地放在改进和完善哥白尼的日心说，以及研究行星轨道的性质上。他发现第谷的观测数据与哥白尼和托勒密体系不一致。他决心找出这种不一致的原因和行星的真实轨道。最初的研究是从火星开始的，火星在观测和理论上有明显的不同。他用传统的匀速圆周运动加偏心圆来计算，都失败了。经过4年近70次各种行星轨道形状设计方案的计算，开普勒意识到哥白尼体系的匀速圆周运动和偏心圆的轨道模式与火星的实际轨道不一致。因此，他大胆地放弃了统治人类思想2000年的“匀速圆周运动”的偏见，并试图用其他几何曲线来代表火星轨道的形状。他认为行星轨道的焦点应该在产生重心的太阳上，并进一步得出结论，火星运动的线速度是不均匀的，在太阳附近更快，在远离太阳的地方更慢，并得出结论，在一天扫过的区域内，太阳到火星的直径是相等的。

开普勒将这一结论推广到了其他行星，其结果与观测数据一致。这样，他首先得到了行星运动的等面积定律。后来，他发现火星的轨道不是一个完美的圆，而是一个以太阳为焦点的椭圆。他把这个结论也应用到其他星球上。所以他得到了行星的椭圆轨道定律。这两条定律发表在他1609年出版的《新天文学》一书中。但是他对自己的成就不满意。他渴望找到一个通用的模式，能够适合所有的行星，并把它们连接在一起。他坚信有一条简单的定律将所有的行星联系在一起。

受这一信念的启发，开普勒忍受了个人在家庭中遭受的巨大不幸。在很少有人理解和支持的困难条件下，经过九年的反复计算和假设，开普勒终于在1618年发现了隐藏在大量观测数据背后的数字的和谐性:行星公转周期的平方与它们到太阳的平均距离的立方成正比。这是周期定律。1619年，他在《宇宙的和谐》一书中引入了第三定律。他忍不住写道:“认识到这个事实超出了我的最佳预期。大局已经决定了。这本书已经写好了。这本书可能会被当代的一些人或后代人阅读。它可能需要一个世纪才能成为信徒。我不在乎。”

开普勒三定律是天文学的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密复杂的行星宇宙系统，完善并简化了哥白尼的日心说宇宙系统。开普勒对天文学的最大贡献在于他试图建立天体动力学，并在物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。尽管他认为太阳的磁力驱使行星绕轨道运行是错误的。然而，发现太阳系结构的奥秘对后代具有重要的启发意义，并为经典力学的建立和牛顿普遍定律的发现提供了重要的线索。