關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國(guó)科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國(guó)科學(xué)院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之：仰望星空的人
羅會(huì)仟
2010年10月27日
作者：羅會(huì)仟？ 中國(guó)科學(xué)院物理研究所
可是，古往今來(lái)，仰望星空有過(guò)無(wú)數(shù)人，卻絕大部分屬于占星術(shù)士。古人的想象力是豐富無(wú)窮的，他們甚至擬出三十六天罡、七十二地煞還有一副天上仙界圖。想象終歸是想象，事實(shí)遠(yuǎn)非如此。真正洞悉星空奧秘第一人，當(dāng)屬開(kāi)普勒同學(xué)。這位勤奮的天文學(xué)家也是物理學(xué)家，卻無(wú)法仰望星空。因?yàn)樗麖男【蛽p壞視力，在靠肉眼觀(guān)測(cè)的年代，他無(wú)法成為一個(gè)天文觀(guān)測(cè)學(xué)家。歷史就是如此奇特，失去聽(tīng)力的貝多芬可以創(chuàng)作出第九交響曲的傳世之作，瘋掉的尼采可以留下豐富的哲學(xué)遺產(chǎn)，就是失明的左丘明也能作《左傳》和瘸腿的孫臏也能成為一代軍師。對(duì)于視力損壞的開(kāi)普勒來(lái)說(shuō)，他仰望星空的工具是“別人的眼睛”還有他自己的另一副眼睛——精湛的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。
數(shù)學(xué)是思維的體操。而數(shù)學(xué)體操的世界冠軍，當(dāng)推開(kāi)普勒。開(kāi)普勒對(duì)數(shù)學(xué)的喜好正如古希臘學(xué)者們一樣，十分重視數(shù)的作用，總想在自然界尋找數(shù)量的規(guī)律性 。規(guī)律愈簡(jiǎn)單，從數(shù)學(xué)上看就愈好，因而在他看來(lái)就愈接近自然。他信奉哥白尼學(xué)說(shuō)，因?yàn)槿招捏w系在數(shù)學(xué)上顯得更簡(jiǎn)單更和諧。在他早期所著的《神秘的宇宙》一書(shū)中，他繪制出了一個(gè)多面體宇宙模型。模型體現(xiàn)了日月及五大行星的運(yùn)行軌道。雖然這個(gè)學(xué)說(shuō)因循了亞里士多德、托勒密和哥白尼的圓形軌道范疇，是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論，但是開(kāi)普勒的數(shù)學(xué)天分，已展露端倪。
通過(guò)對(duì)第谷數(shù)據(jù)的分析，開(kāi)普勒在1609年發(fā)表了《新天文學(xué)》一書(shū)和《論火星運(yùn)動(dòng)》一文，公布了兩個(gè)定律：（一）所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)的位置不在軌道中心，而在軌道的兩個(gè)焦點(diǎn)之一。（軌道定律）和（二）在同樣的時(shí)間里，行星向徑在其軌道平面上所掃過(guò)的面積相等。（面積定律）有了這兩個(gè)定律，編制新星表的任務(wù)自然就順利完成。10年后，不滿(mǎn)足的開(kāi)普勒再次從第谷的數(shù)據(jù)里看出了另外一個(gè)規(guī)律：開(kāi)普勒第三定律。（三）行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽(yáng)距離的立方成正比。（周期定律）16年來(lái)的辛苦計(jì)算終于集大成。開(kāi)普勒的行星三大定律為后來(lái)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律起到了決定性的提示作用，開(kāi)普勒正是牛頓所言的“巨人”。除行星運(yùn)行三大定律外，開(kāi)普勒于1627年刊布他終身的最后杰作——《路德福星表》。這是天文史上值得稱(chēng)贊的一部星表，它的完備和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)勝過(guò)前人。在以后的百余年間，該表一直被天文學(xué)家和航海家們奉為至寶。它的形式幾乎沒(méi)有改變地保留到現(xiàn)在。開(kāi)普勒一生的成就，可謂輝煌之致！
開(kāi)普勒的一生給我們?cè)S多啟迪：觀(guān)測(cè)的重要性、尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)也要相信理論計(jì)算、找一個(gè)好老板勝過(guò)一切、為了生活也可以搞點(diǎn)副業(yè)、從簡(jiǎn)單模型出發(fā)得到不簡(jiǎn)單的結(jié)論、科學(xué)家不要卷入政治和宗教否則禍害一生。
開(kāi)普勒的后繼者們?cè)谔剿縻y河系行星和太陽(yáng)系外甚至銀河系外行星中做了許多努力。2008年，我們終于拍到一張?zhí)?yáng)系外行星的照片。而第一個(gè)探索地外行星的任務(wù)——“開(kāi)普勒”太空望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將于2009年發(fā)射升空。我們甚至還在按照開(kāi)普勒當(dāng)初利用太陽(yáng)能航行太空的設(shè)想，設(shè)計(jì)制造“太陽(yáng)帆飛船”，以圖遨游太空，窺視宇宙深處的奧秘。人類(lèi)在仰望星空的起點(diǎn)之后，走的更深更遠(yuǎn)了。我們復(fù)興中的中國(guó)，也正在呼喚“仰望星空的人”。國(guó)家希望有那么一批年青人，堅(jiān)持從事基礎(chǔ)科學(xué)研究，堅(jiān)持探索自然界深處的秘密，堅(jiān)持追求真理。雖然基礎(chǔ)科研是枯燥乏味而且寂寞的，但請(qǐng)仰望星空，又有無(wú)數(shù)繁星作伴，人生豈亦得樂(lè)哉？
（仰望星空——民族希望）
“一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人，他們才有希望；一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒(méi)有未來(lái)的。” ——溫家寶 
（宇宙中的浩渺星空）
浩渺星空、蒼穹宇宙，似乎那么遙遠(yuǎn)而又那么神秘。自古以來(lái)，我們仰望星空，渴望獲得天外的未知，渴望知道我們?cè)谟钪嬷惺侨绾蔚囊环葑樱释牢覀兊挠钪鎻暮翁巵?lái)到何處去。在伽利略用望遠(yuǎn)鏡試圖窺視上帝的秘密之后，星空世界才逐步走入人們的視野。如今太空望遠(yuǎn)鏡的威力已經(jīng)足以觀(guān)測(cè)到許多年前發(fā)生的故事，而我們也終于認(rèn)識(shí)到人類(lèi)不過(guò)是宇宙中微不足道的一小小部分。然而，在此之前，我們只能用自己的肉眼仰望星空。可是，古往今來(lái)，仰望星空有過(guò)無(wú)數(shù)人，卻絕大部分屬于占星術(shù)士。古人的想象力是豐富無(wú)窮的，他們甚至擬出三十六天罡、七十二地煞還有一副天上仙界圖。想象終歸是想象，事實(shí)遠(yuǎn)非如此。真正洞悉星空奧秘第一人，當(dāng)屬開(kāi)普勒同學(xué)。這位勤奮的天文學(xué)家也是物理學(xué)家，卻無(wú)法仰望星空。因?yàn)樗麖男【蛽p壞視力，在靠肉眼觀(guān)測(cè)的年代，他無(wú)法成為一個(gè)天文觀(guān)測(cè)學(xué)家。歷史就是如此奇特，失去聽(tīng)力的貝多芬可以創(chuàng)作出第九交響曲的傳世之作，瘋掉的尼采可以留下豐富的哲學(xué)遺產(chǎn)，就是失明的左丘明也能作《左傳》和瘸腿的孫臏也能成為一代軍師。對(duì)于視力損壞的開(kāi)普勒來(lái)說(shuō)，他仰望星空的工具是“別人的眼睛”還有他自己的另一副眼睛——精湛的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。
數(shù)學(xué)是思維的體操。而數(shù)學(xué)體操的世界冠軍，當(dāng)推開(kāi)普勒。開(kāi)普勒對(duì)數(shù)學(xué)的喜好正如古希臘學(xué)者們一樣，十分重視數(shù)的作用，總想在自然界尋找數(shù)量的規(guī)律性 。規(guī)律愈簡(jiǎn)單，從數(shù)學(xué)上看就愈好，因而在他看來(lái)就愈接近自然。他信奉哥白尼學(xué)說(shuō)，因?yàn)槿招捏w系在數(shù)學(xué)上顯得更簡(jiǎn)單更和諧。在他早期所著的《神秘的宇宙》一書(shū)中，他繪制出了一個(gè)多面體宇宙模型。模型體現(xiàn)了日月及五大行星的運(yùn)行軌道。雖然這個(gè)學(xué)說(shuō)因循了亞里士多德、托勒密和哥白尼的圓形軌道范疇，是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)論，但是開(kāi)普勒的數(shù)學(xué)天分，已展露端倪。
（開(kāi)普勒的多面體宇宙模型）
開(kāi)普勒出生在德國(guó)南部的瓦爾城。他的一生在顛沛流離中的宗教斗爭(zhēng)情勢(shì)中渡過(guò)。開(kāi)普勒原是個(gè)新教徒，從學(xué)校畢業(yè)后，進(jìn)入新教的神學(xué)院——杜賓根大學(xué)攻讀，本想將來(lái)當(dāng)個(gè)神學(xué)者，但后來(lái)卻對(duì)數(shù)學(xué)和天文學(xué)發(fā)生濃厚興趣和愛(ài)好。1598年奧地利發(fā)生宗教沖突，開(kāi)普勒被迫帶著全家背井離鄉(xiāng)。后來(lái)接受第谷的邀請(qǐng)去了布拉格，以協(xié)助他整理觀(guān)測(cè)資料和編制新星表。開(kāi)普勒一生的命運(yùn)就此發(fā)生轉(zhuǎn)折。在最初的幾個(gè)月里，開(kāi)普勒的才干給人留下了深刻的印象。開(kāi)普勒本人是不相信占星術(shù)的，他認(rèn)為那是偽科學(xué)，然而當(dāng)時(shí)他的老板——教會(huì)組織常常拖欠工資，他也只能靠編寫(xiě)占星術(shù)歷書(shū)來(lái)掙錢(qián)。他自我解嘲道“作為女兒的占星術(shù)若不為天文學(xué)母親掙面包，母親便要挨餓了?！倍犊康男碌牡诠壤习?，其實(shí)主要身份還是皇家占星術(shù)士。好在的是，兩人相處的還不錯(cuò)。只是，好景不長(zhǎng)，第谷在他到來(lái)的第二年就去世了。第谷給開(kāi)普勒留下的，是作為“星空之王”的他20年來(lái)觀(guān)測(cè)的大量星空變化數(shù)據(jù)，還有一句忠告：“一定要尊重觀(guān)測(cè)事實(shí)?！钡诠缺闶情_(kāi)普勒仰望星空的第一雙眼睛。
（第谷——開(kāi)普勒仰望星空的第一雙眼睛）
觀(guān)測(cè)星空其實(shí)是非常艱苦而枯燥的一件事情，第谷能數(shù)十年如一日地堅(jiān)持下去，一是為了吃飯、二是為了科學(xué)，難能可貴。我曾聽(tīng)過(guò)一個(gè)關(guān)于科學(xué)院某天文臺(tái)學(xué)生的笑話(huà)，話(huà)說(shuō)某師兄和某師弟到了某觀(guān)測(cè)站進(jìn)行觀(guān)測(cè)。現(xiàn)代的觀(guān)測(cè)工具當(dāng)然不是肉眼了，更多的是記錄數(shù)據(jù)。起初兩人認(rèn)為能遠(yuǎn)離老板的管束到天文觀(guān)測(cè)臺(tái)自由學(xué)習(xí)生活應(yīng)該是一件大樂(lè)事，但沒(méi)過(guò)幾天，就覺(jué)得單調(diào)枯燥的觀(guān)測(cè)生活令人厭煩了。一天，師兄憂(yōu)心忡忡地對(duì)師弟說(shuō)：“師弟，你說(shuō)你要是師妹該多好哇！”又一天，師弟滿(mǎn)懷愁容地對(duì)師兄說(shuō)：“師兄，咱們啥時(shí)候才能出獄??？”再過(guò)了一個(gè)月，師兄向師弟吼道：“你離開(kāi)我的視線(xiàn)吧！這么多天來(lái)，我每天見(jiàn)到的人只有你，睜開(kāi)眼睛都是你，可為什么你又不是師妹呢？”師弟滿(mǎn)臉無(wú)辜地答道：“師兄，咱們‘分居’吧。你在樓上，我在樓下。有事電話(huà)聯(lián)系?！薄昂?！反正我這輩子最不想見(jiàn)到的人就是你了！”師兄欣然接受此提議。于是，兩個(gè)人在同一個(gè)樓里，不再見(jiàn)面。這原本是個(gè)反映研究生心理問(wèn)題的笑話(huà)，不過(guò)它無(wú)意揭示了科研生活的枯燥和無(wú)聊。而天文觀(guān)測(cè)，正是需要巨大的耐心和毅力來(lái)完成的。正是有了第谷這雙深邃的眼睛，開(kāi)普勒開(kāi)始利用他的數(shù)學(xué)才華，試圖找出行星運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌道。
（第谷的天文觀(guān)測(cè)城堡和內(nèi)部工作情景）
（第谷（1572年）和開(kāi)普勒（1604年）發(fā)現(xiàn)的超新星）
從一堆數(shù)據(jù)里面發(fā)現(xiàn)規(guī)律是非常非常困難的，看過(guò)美劇《Lost》的人都知道，光是一個(gè)神秘的數(shù)列：4,8,15,16,23,42 就足以迷倒眾多影迷窮根究底。開(kāi)普勒要面對(duì)的，是無(wú)數(shù)個(gè)這樣的數(shù)列！聰明的開(kāi)普勒先從地球的軌道出發(fā)，要知道地球的軌道，最重要的就是要量出地球和太陽(yáng)的距離如何隨時(shí)間變化?？芍苯訙y(cè)量地日間距是不可能的，開(kāi)普勒采用了最簡(jiǎn)單的直角三角形測(cè)量法，只要選取一個(gè)參考點(diǎn)，量出參考點(diǎn)和地球的距離，然后觀(guān)測(cè)出地球、太陽(yáng)和參考點(diǎn)的夾角，就可以計(jì)算出日地距離。不過(guò)要找這個(gè)測(cè)量點(diǎn)著實(shí)不容易，因?yàn)樘?yáng)系中除了太陽(yáng)不動(dòng)之外就沒(méi)有別的不動(dòng)的星球了。開(kāi)普勒選取了火星，因?yàn)榛鹦抢@太陽(yáng)運(yùn)行的時(shí)間“火星年”是精確測(cè)定過(guò)的，而若火星在閉合軌道上運(yùn)行，那么它必然有一天會(huì)和地球太陽(yáng)在一條直線(xiàn)上，再過(guò)一個(gè)“火星年”它又回到這個(gè)直線(xiàn)上。期間地球會(huì)處在不同相對(duì)位置，這樣就可以計(jì)算日地距離了。正是“天公斗巧乃如此，令人一步千徘徊”。開(kāi)普勒利用他的巧妙構(gòu)思開(kāi)始了漫長(zhǎng)的計(jì)算，可第一個(gè)面臨的挑戰(zhàn)，竟然是他的第一雙眼睛——第谷的觀(guān)測(cè)結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)他計(jì)算出來(lái)的火星軌道和第谷的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)存在8分的差距，經(jīng)過(guò)許多次驗(yàn)算之后，開(kāi)普勒選擇相信他的第二雙眼睛——數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。畢竟任何一個(gè)偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也有在記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候存在誤差，何況第谷一直篤信的是圓形軌道的錯(cuò)誤思想。正是認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，開(kāi)普勒覺(jué)察到行星運(yùn)行軌道不應(yīng)該是嚴(yán)格的圓形，而可能是其他曲線(xiàn)，最終他確定為橢圓并且能推廣到太陽(yáng)系其他行星上去。通過(guò)對(duì)第谷數(shù)據(jù)的分析，開(kāi)普勒在1609年發(fā)表了《新天文學(xué)》一書(shū)和《論火星運(yùn)動(dòng)》一文，公布了兩個(gè)定律：（一）所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)的位置不在軌道中心，而在軌道的兩個(gè)焦點(diǎn)之一。（軌道定律）和（二）在同樣的時(shí)間里，行星向徑在其軌道平面上所掃過(guò)的面積相等。（面積定律）有了這兩個(gè)定律，編制新星表的任務(wù)自然就順利完成。10年后，不滿(mǎn)足的開(kāi)普勒再次從第谷的數(shù)據(jù)里看出了另外一個(gè)規(guī)律：開(kāi)普勒第三定律。（三）行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽(yáng)距離的立方成正比。（周期定律）16年來(lái)的辛苦計(jì)算終于集大成。開(kāi)普勒的行星三大定律為后來(lái)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律起到了決定性的提示作用，開(kāi)普勒正是牛頓所言的“巨人”。除行星運(yùn)行三大定律外，開(kāi)普勒于1627年刊布他終身的最后杰作——《路德福星表》。這是天文史上值得稱(chēng)贊的一部星表，它的完備和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)勝過(guò)前人。在以后的百余年間，該表一直被天文學(xué)家和航海家們奉為至寶。它的形式幾乎沒(méi)有改變地保留到現(xiàn)在。開(kāi)普勒一生的成就，可謂輝煌之致！
（開(kāi)普勒第一定律和第二定律）
然而，如此杰出的科學(xué)家的生活卻是不幸和痛苦的。開(kāi)普勒一生中結(jié)過(guò)兩次婚，有12個(gè)孩子（天?。?。要養(yǎng)家糊口，可是一項(xiàng)無(wú)比艱巨的任務(wù)。加上教會(huì)組織總是無(wú)端拖欠工資，他只好操起老本行，做占星術(shù)掙外塊。開(kāi)普勒是個(gè)成功的占星術(shù)士，盡管他常說(shuō)“神根據(jù)自己的心意可以改變一切”。他甚至預(yù)言了1618年爆發(fā)的布拉格起義和三十年戰(zhàn)爭(zhēng)，交戰(zhàn)雙方正是開(kāi)普勒為之占卜的捷克貴族華倫斯坦和第谷為之占卜的瑞典國(guó)王古斯塔夫二世——?dú)v史總會(huì)如此嘲弄人。開(kāi)普勒一生充滿(mǎn)連年的戰(zhàn)爭(zhēng)，長(zhǎng)期漂泊，生活貧困和來(lái)自教會(huì)的迫害。最終在1630年11月，他染傷寒而死。死在向?qū)m廷討薪的路上——宮廷居然欠他20多年的薪水！去世的時(shí)候，他的身邊唯有幾件衣服幾本舊書(shū)。開(kāi)普勒的一生給我們?cè)S多啟迪：觀(guān)測(cè)的重要性、尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)也要相信理論計(jì)算、找一個(gè)好老板勝過(guò)一切、為了生活也可以搞點(diǎn)副業(yè)、從簡(jiǎn)單模型出發(fā)得到不簡(jiǎn)單的結(jié)論、科學(xué)家不要卷入政治和宗教否則禍害一生。
開(kāi)普勒的后繼者們?cè)谔剿縻y河系行星和太陽(yáng)系外甚至銀河系外行星中做了許多努力。2008年，我們終于拍到一張?zhí)?yáng)系外行星的照片。而第一個(gè)探索地外行星的任務(wù)——“開(kāi)普勒”太空望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將于2009年發(fā)射升空。我們甚至還在按照開(kāi)普勒當(dāng)初利用太陽(yáng)能航行太空的設(shè)想，設(shè)計(jì)制造“太陽(yáng)帆飛船”，以圖遨游太空，窺視宇宙深處的奧秘。人類(lèi)在仰望星空的起點(diǎn)之后，走的更深更遠(yuǎn)了。我們復(fù)興中的中國(guó)，也正在呼喚“仰望星空的人”。國(guó)家希望有那么一批年青人，堅(jiān)持從事基礎(chǔ)科學(xué)研究，堅(jiān)持探索自然界深處的秘密，堅(jiān)持追求真理。雖然基礎(chǔ)科研是枯燥乏味而且寂寞的，但請(qǐng)仰望星空，又有無(wú)數(shù)繁星作伴，人生豈亦得樂(lè)哉？
（2008年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到太陽(yáng)系外行星照片和5000光年外的太陽(yáng)系孿生兄弟）
（“開(kāi)普勒”太空望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將于2009年發(fā)射升空）
（太陽(yáng)帆飛船）