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新天文学

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1609年版的《新天文学》封面。
1609年版的《新天文学》封面。

新天文学》(拉丁语Astronomia nova)是德国天文学家约翰内斯·克卜勒观测火星运行十年的记录,出版于1609年。

背景

新天文学一般被认为是科学革命期间最重要的学术著作之一。[1]在这之前尼古拉·哥白尼于1543年的《天体运行论》提出他的日心说模型。哥白尼的模型并非完整的物理描述,主要是用以解释行星运动。克卜勒则是寻求一个完整的行星运动物理模式。

内容架构

克卜勒之前三种行星运动模式的示意图。
克卜勒之前三种行星运动模式的示意图。

在英文版的完整标题是New Astronomy, Based upon Causes, or Celestial Physics, Treated by Means of Commentaries on the Motions of the Star Mars, from the Observations of Tycho Brahe, Gent.。在长达650页的英文翻译版中,该书以现代人的观点,使用冗长而复杂的方式解释行星运动。克卜勒的观测资料也基于丹麦天文学家第谷·布拉赫的观测资料。

该书共分五个段落。第一段是解释在之前已存在的三种行星运动模型;分别是古埃及天文学家托勒密、波兰天文学家尼古拉·哥白尼和丹麦天文学家第谷·布拉赫的模型,而这三种模型都基于相同的观测基础上。这三种模型对于近年的行星运动位置有相同的预测,但在历史观测记录上三种模型差异甚大,而且无法预测未来行星精确位置。

在第一部分中开普勒大力调查第谷布拉赫的数据错误。开普勒还质疑地球或太阳基于使用的模型围绕中心移动的轨道有一定比例。他认为,计算依据的关键应该是测量太阳在天空的实际位置,而不是平太阳日;在很大程度上增加了模型的不确定性,开启了进一步调查。

在第二部分克卜勒指出,根据第谷的精确观测数据,现有模型无法做出简单的行星运动重建。他发现的差异使他提出新的行星运动模型来解释。

第三部分是关于重力的讨论。

第四部分是他发现火星轨道并非圆形,而是四种圆锥曲线中的椭圆形。

第五部份克卜勒认为太阳并非固定在太空中,而是在太空中有运行轨道。

克卜勒定律

该书提出了今日被称为克卜勒定律三大定律的前两个:

  • 每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点中。
  • 在相等时间内,太阳和运动著的行星的连线所扫过的面积都是相等的。

实际上,第二定律比第一定律更早被克卜勒发现。他在第32章提到行星运动的速度与太阳的距离成反比,因此他可以在加入距离的测量或者基于弧形轨道决定行星位置的变化。

然而,开普勒的“范围和时间的原则”(area-time principle)使计算行星位置相当不便。开普勒将行星轨道分成数个参数分别计算,再将所有问题整合;但他不能确定各行星位置和运动,因为行星的速度总是不断变化的。这种矛盾现象,称为“开普勒问题”(Kepler Problem),促使微积分的发展。

克卜勒第三定律

克卜勒第三定律则是在十年后他于1619年出版的《世界的和谐》(Harmonices Mundi)中提出。他发现各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

庆祝活动

2009国际天文年时有该书出版满400周年的纪念活动[2],于全球天文年的相关活动中展出。在台北中正纪念堂的“2009科学季:仰观苍穹四百年”特展中曾于2009年9月11日至13日在展出3天[3]

参考资料

  1. ^ Voelkel, James R. The composition of Kepler's Astronomia nova. Princeton: Princeton University Press. 2001: 1. ISBN 0-691-00738-1. 
  2. ^ International Year of Astronomy and Johannes Kepler. Kepler Mission. [9 January 2009]. (原始内容存档于8 九月 2008). 
  3. ^ 格物致知物理学习网站. [2010-08-25]. (原始内容存档于2012-11-08). 

外部链接

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