金星盈亏现象

金星盈亏现象

在1610年9月的一个晴天，伽利略回到了他祖先世代居住的城市。佛罗伦萨在这忠心耿耿的后裔儿子眼中，显得格外美丽。白杨迎风招展，蔚蓝的天空含着微笑，比帕多瓦更迷人。他看到围绕着城市的小山、橄榄园、黄土路上的大白牛拖车、羊群徐徐走向市场……眼中露出深深的满足。

从邦维齐的中央拱门可以看到圣明尼阿多教堂在柏树顶上露出的许多塔顶。他一面微笑，一面转身走近亚诺河岸的渔家，看他们向房屋窗户里抛掷捕鱼网。

伽利略经过大教堂、王宫、店铺、寺庙一带，走向母亲的住处，一路上不时伫立回想，幼年时的一切如今又重现在眼前。骡车挤满小街，市场上小贩叫卖鸡蛋、乳酪的声音；柳条篮中的野兔和吱喳着的禽鸟；掷骰子的人大嚷着运气不佳；一两个乞丐伸手讨钱……伽利略心中有一股冲动，想拥抱他们，只因为他们说的话全是多斯卡尼乡音。

家庭已不再给他麻烦了。妹妹和妹夫变得很亲切，他们非常欢迎这位新任的皇家数学师。两个女儿，穿着修道院的制服，羞怯的、静静的，但却快乐和满足地上前迎接看望她们的父亲。玛丽娜的来信说小男孩文辛一切都有进步。还有，伽利略从今以后再也不会被妈妈的嘀咕打扰了。对于一个半疯、年迈、快进坟墓的长辈的斥骂，还有什么不可容忍的呢？

使伽利略觉得更好一些的是，以后不必一定要和母亲住在一起。除非家里也能建造一座天文观测实验室，不然，他轮流在几个设备豪华的朋友家住，将更恬静些。

伽利略去比萨大学时，受到的热烈欢迎使他心满意足。他曾经因贫穷寒苦未能获得一个学位，又因为思想奇异等原因而被该校强迫退学。如今，他已是一位有名的博学之士了，是全欧洲科学界最有名望的科学家之一，也是皇家大公爵的数学和哲学师。

在王宫的一个晚宴上，全体宫廷人士都在聆听他的望远镜发现的讲解。回来后，他思量着： “我不知道，像这样的黄金日子能有多久？当我还是一个小学生时，我读到一则故事说，一位立功将军赴罗马饮宴，这位将军为了提醒自己的光荣只是短暂的，便指定一名奴役和他并骑而行，要奴役不时向他耳语： ‘主人，你仅是个普通的人！ ’ ”

伽利略立刻警觉到，多斯卡尼宫廷中他仍有不少敌人，他不能让自己得意太甚。他的老仇敌大公爵的叔叔，绝不会忘记那桩挖泥机失败和丢脸的事。西积的愚蠢和报复心，像一只发怒的黄蜂，永无休止地嗡嗡地干扰。还有一个最可畏惧的敌人是马西米提西大主教，他是当地强势家族的光荣人物，也是对麦第西家族最刻薄的一个人。此外，还有其他的敌人，如嫉妒伽利略在天文学方面的成就的学者、一些耶稣会人氏……现在，在一种不安的休战情况下，他们都在静静地等待出击机会。

另一方面，蒙特主教为答谢伽利略赠予他的望远镜，也回赠了一幅镶有珍珠的图画和一封诚挚的书信。耶稣会罗马学院数学家克勒菲神父写信来告诉他，学院很多教授都承认木星的几个卫星存在的事实。最令伽利略感到欣慰的是，他所深深敬爱的开普勒，公开地陈述他已从望远镜中看到了至今仍争论不休的“麦第西星群” 。

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开普勒

约翰尼斯·开普勒出生于公元1571年，死于公元1630年11月15日。开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说，并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学家称为“天上的立法者”。

开普勒画像

开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭，他是一个早产儿，体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸，4岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神，他一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅。

1587年开普勒进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林，在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师，在此期间完成了他的第一部天文学著作（1596年）。虽然开普勒在该书中提出的学说完全错误，但却从中非常清楚地显露出他的数学才能和富有创见性的思想，于是伟大的天文学家泰修·布拉赫邀请他去布拉格附近的天文台给自己当助手。开普勒接受了这一邀请，1600年1月加入了泰修的行列。泰修翌年去世。开普勒在这几个月来给人留下了非常好的印象，不久圣罗马皇帝鲁道夫就委任他为接替泰修的皇家数学家。开普勒在余生一直就任此职。

早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响，以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的5个正多面体，跟当时已知的6颗行星的轨道套叠，从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有6颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表，定名为《宇宙的秘密》。这个设想虽带有神秘主义色彩，但却也是一个大胆的探索。

后来，开普勒在伽利略的影响下，通过对行星运动进行深入的研究，抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说，逐步走上追求真理和科学的轨道。

毕达哥拉斯雕塑

作为泰修·布拉赫的接班人，开普勒认真地研究了泰修多年来对行星进行仔细观察所做的大量记录。泰修是望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家，也是世界上前所未有的最仔细、最准确的观察家，因此他的记录具有十分重大的价值。开普勒认为，通过对泰修的记录做仔细的数学分析可以确定哪个行星运动学说是正确的：哥白尼日心说、古老的托勒密地心说、泰修本人提出的第三种学说。但是经过多年煞费苦心的数学计算，开普勒发现泰修的观察与这三种学说都不符合，他的希望破灭了。

最终开普勒认识到了所存在的问题：他与泰修、哥白尼以及所有的经典天文学家一样，都假定行星轨道是由圆或复合圆组成的，但是实际上行星轨道不是圆形而是椭圆形。

就在找到基本的解决办法后，开普勒仍不得不花费数月的时间来进行复杂而冗长的计算，以证实他的学说与泰修的观察相符合。他在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律。行星运动第一定律认为，每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为，行星运行离太阳越近则运行就越快，行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。

《新天文学》书中他还指出，这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。1612年，开普勒的保护人鲁道夫二世被迫退位，因此他也离开布拉格，去了奥地利的林茨。当地专门为他设立了一个数学家的职务。

经过长期繁复的计算和无数次失败，他终于发现了行星运动的第三条定律： “行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石，并导致数十年后万有引力定律的发现。

鲁道夫二世画像

1604年9月30日在蛇夫座附近出现一颗新星，最亮时比木星还亮。开普勒对这颗新星进行了17个月的观测并发表了观测结果。历史上称它为开普勒新星（这是一颗银河系内的超新星） 。 1607年，他观测了一颗大彗星，就是后来的哈雷彗星。

开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题。这个问题的答案曾使甚至像哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解。当时开普勒没能说明按其规律在轨道上运行的原因，到17世纪后期才由艾萨克·牛顿阐明清楚。开普勒对此运动性质的研究，我们可以看到万有引力定律已见雏形。开普勒在万有引力的证明中已经说到：如果行星的轨迹是圆形，则符合万有引力定律。而如果轨道是椭圆形，开普勒则并未证明出来。牛顿后来用很复杂的微积分和几何方法将此证明出来了。

牛顿曾说过： “如果说我比别人看得远些的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是他所指的巨人之一。

开普勒对天文学的贡献几乎可以和哥白尼相媲美。事实上从某些方面来看，开普勒的成就甚至给人留下了更为深刻的印象，他更富于创新精神。他所面临的数学困难相当巨大。数学在当时远不如今天这样发达，没有计算机来减轻开普勒的计算负担。

从开普勒取得的成果的重要性来看，令人感到惊奇的是他的成果起初差一点被忽略，甚至差点被伽利略这样如此伟大的科学家所忽略（伽利略对开普勒定律的忽视特别令人感到惊奇，因为他俩之间有书信往来，而且开普勒的成果会有助于伽利略驳斥托勒密学说）。如果说其他人迟迟不能赏识开普勒成果的重大意义的话，他本人是会谅解这一点的。他在一次抑制不住巨大喜悦时写道： “我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿。它不是会被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到──这是无所谓的事。它也许需要足足等上100年才会有一个读者，正如上帝等了6000年才有一个人理解他的作品。”

但是经过几十年的历程，开普勒定律的意义在科学界逐渐明朗起来。实际上在17世纪晚期，有一个支持牛顿学说的主要论点认为，开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来，反过来说只要有牛顿运动定律，也能从开普勒定律中精确地推导出牛顿引力定律。但是这需要更先进的数学技术，而在开普勒时代则没有这样的技术。而就是在技术落后的情况下，开普勒也能以其敏锐的洞察力判断出行星运动受来自太阳的引力的控制。

牛顿画像

不仅在天文学上，开普勒在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像，并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒研究过光的折射问题，认为折射的大小不能单单从物质密度的大小来考虑。例如油的密度比水的密度小，而它的折射却比水的折射大。1611年，开普勒发表了《折光学》一书，阐述了光的折射原理，为折射望远镜的发明奠定了基础。他最早提出了光线和光束的表示法，还成功地改进了望远镜。开普勒还对人的视觉进行了研究，纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛的发射出光的错误观点。他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的水晶体投射在视网膜上，并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。1604年他发表《对威蒂略的补充——天文光学说明》。1611年他出版《光学》一书，这是一本阐述近代望远镜理论的著作。他把伽利略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒望远镜。

开普勒还发现大气折射的近似定律，用很简单的方法计算大气折射。他最先认为大气有重量，并且正确地说明月全食时月亮呈红色是由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上而造成的。

晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。 1625年，他写了题为《为第谷·布拉赫申辩》的著作，驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击，因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的著作列为禁书。1626年，一群天主教徒包围了开普勒的住所，扬言要处决他。后来，开普勒因为曾担任皇帝的数学家而幸免于难。

他出版的《哥白尼天文学概要》叙述他对宇宙结构和大小的观点。在《彗星论》中，他指出彗尾总是背着太阳，是因为太阳光排斥彗头的物质所造成。1627年出版的《鲁道夫星表》是根据他的行星运动定律和第谷的观测资料编制的。根据此表可以知道行星的位置，其精度比以前的任何星表都高，直到18世纪中叶，它一直被视为天文学上的标准星表。

他于1629年出版的《稀奇的1631年天象》中预言1631年11月7日水星凌日现象，12月6日金星也将凌日，果然如期观测到了水星凌日，而金星凌日在西欧是看不到的。

不幸的是他在晚年为私事而感到忧伤。当时德国开始陷入“三十年战争”的大混乱之中，很少有人能躲进世外桃源。

1630年11月，因数月未得到薪金，生活难以维持，年迈的开普勒不得不亲自到雷根斯堡索取。圣罗马皇帝即使在较兴隆的时期都是怏怏不乐地支付薪水。在战乱时期，开普勒的薪水被一拖再拖，得不到及时的支付。开普勒结过两次婚，有12个孩子，经济困难的确很严重。另一个问题是他的母亲在1620年由于行巫术而被捕。开普勒花费了大量的时间设法使母亲在不受拷打的情况下获得释放，他终于达到了目的。但是，不幸的是，他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日，开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时，除一些书籍和手稿之外，身上仅剩下了7分尼（1马克等于100分尼）。

开普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂。在“三十年战争”的动乱中，他的坟墓很快遭毁。但他突破性的天文学理论，以及他不懈探索宇宙的精神却成为后人铭记他的最好的丰碑。

雷根斯堡市

开普勒所处的年代正值欧洲从封建主义社会向资本主义社会转变的时期。在科学与神权的斗争中，开普勒坚定地站在了科学的一边，用自己孱弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念，推动了唯物主义世界观的发展，使人类科学向前跨进了一大步。马克思高度评价了开普勒的品格，称他是自己所喜爱的英雄。

伽利略将实验室布置妥善后，就继续他的天文观测。回到佛罗伦萨后约一个月，他在观测金星时，又有了极不平凡的发现。金星的光亮时而增长，时而消退，一直使人迷惑不解，如今第一次从望远镜中望去，伽利略发觉出它极其类似月亮。

伽利略对没有证实的事不敢公开发表，但他却急着想把这重要发现告诉他的同行科学家开普勒。但是伽利略暗忖： “假如有人偷看我的信呢？我能用拉丁文写吗？开普勒不懂意大利文，我不懂德文。我如果用拉丁文，任何一个科学家都可看懂我对金星光度盈亏消长的描述……有了！我们在学校念书时都念过诗人奥维德的习用引言，开普勒一定可以了解我用的密码。啊，不，伽利略感到迷惑，这引言中缺少我需用的两个字母。我如何将这字母拼进去呢？对了，我总共需用35个字母。 ”

伽利略好像孩童一样的欢乐，他用密码写给开普勒说：

“这些事情尚未成熟到该发表的时候，而我也还不尽了然。 ”

而开普勒译出来却是：

“爱之神，金星，模仿着女神，月亮，一样有盈亏消长。 ”

伽利略在研究观察记录

最后，伽利略终于向世人宣布：

“金星如同月亮一样是有盈亏周期的。金星现在到达太阳系行星轨道上的一点，恰在太阳与地球之间，仅有部分受光的表面朝向我们。望远镜中所见为半钩形，与月亮在类似位置时形象相同。 ”

对伽利略来说，这一发现——金星围绕太阳转而且接受其光线，足以证明宇宙的中心是太阳而非地球。伽利略有了望远镜，能够实际地看到这些变化的进行。现在可证明给向天文学者挑战的亚里士多德学派的人看了：各行星都是绕着太阳转动，则金星和火星必会像月亮一样盈亏消长。

伽利略多年来面对不少动乱变动，至此才获得了胜利。现在剩下最后一个需要反驳的，即证明托勒密的错误，这也是哥白尼未能证明的。