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我理解的开普勒 (一) 精选

已有 8614 次阅读 2013-9-4 19:00 |系统分类:科研笔记|关键词:开普勒,,科学与宗教,,天文与星占| 开普勒, 科学与宗教, 天文与星占

天文学史上的天才,最能激发人们的想象,最能引起心灵的共鸣,最能启迪科学的思索,开普勒要数是第一。 

他出生在德国西南的小镇。祖辈在当地小有名望,但家世日益没落。 

他的童年可以用悲惨来形容。他是一个早产儿,体弱多病,眼睛近视和重视(难道这就是他后来研究光学和望远镜的前缘?),得过天花,满身都是疥疮。家族里三代十几口人挤在一个不大的房屋下,有的早夭,有的被当女巫烧死。更有游手好闲的父亲,浪迹天涯,死在何处何时都无从知晓。 

童年美妙的时光也有一二。 7岁时(1577年)母亲牵着他的手爬上小小的山冈,看那一年壮观的彗星。那一年,丹麦的第谷正仔细观测这一彗星,要证明它是月界以上的天体,而不是月界以下的地球大气现象。中国明朝万历皇帝的天文官们也在观测:“彗星从东南方起,长亘天。”

   路德的新教改革给当地带来了新式的教育,开普勒可以说是生逢其时,在新式的学堂展露天赋。小学虽然没上几年,却成绩优异。体弱、聪明、对宗教的兴趣,三者的结合使得牧师看来是最适合他的职业。于是他在13岁时进入了一个神学院,学习希腊文、拉丁文、修辞、辩证法、数学、音乐。18岁,开普勒获得路德维希公爵特别奖学金,进入图宾根大学,学习神学。 

   开普勒气质敏感,可以说是有点神经质。为考试成绩,为排名先后,为虚荣,为直率,为信仰,甚至为琐碎小事,他感觉他有无数的敌人:“A不恨我,但是我恨他。”“B恨我,因为我是他学习上的对手。”“C恨我,因为他是我的老师,我却当众指出他的错误”。“宗教使我和D隔阂,他居然抛弃信仰。”“我有点享乐主义,还有一些其他的习惯,因此E和我断交。”  

在图宾根大学, 他刚从数学老师马斯特林那里了解到哥白尼的日心说”, 就像皈依宗教一样皈依了哥白尼的学说: 不需要那么多的证据, 也不要那么多的证明, 上帝本身就是证明。那光芒四射, 给人间温暖, 使万物复苏的太阳, 不就是上帝的居所? 上帝的居所, 难道不是宇宙的中心? 

他不但因为坚定拥护日心说而在学校树敌,  而且因各种奇谈怪论与人争吵不休。 比如他说, 学习哲学让德国堕落;学习法文要比学习希腊文更有意义。 学校视他是个麻烦, 但同时也知道他脑子极灵。 23岁那年,正好格拉兹(Graz)地方空缺一个数学教授, 图宾根大学顺势做个人情,推荐开普勒。开普勒这样就得放弃好像很适合他的神学职业, 心里有点不乐意, 但教授数学可以略有收入, 也就答应了。 不过他提了个条件: 若干年来再回到图宾根学习神学。 这个承诺学校估计本没打算兑现,而开普勒本人后来也再没想到要去兑现。他从此走上了天文学的道路。 

不,那还是数学。天文学,不管是托勒密的"地心说",还是哥白尼的"日心说",都还仅仅是数学。那完美的圆周运动,那一环套一环的无数的本轮、均轮,都不代表真实的宇宙世界,不过是用来解释天文现象的数学模型。 天文学,还要等我们的开普勒将来把它从数学变成物理。 不过这是后话,现在他搞的天文学还是数学。  

数学也不一定就不是实在。古代的哲人,西方有古希腊的毕达哥拉斯,中国有汉代的刘歆,就认为数是真正的实在。(当代中国对数也有无比的敬重,一切理论,一切主张,只要带上数字,就是那简单的“一二三四五”,就有了无穷的感召力。)也不是随便什么数都行,数的来源越神秘,就越真实,越可靠,就越具有权威性。比如说我们汉代的刘歆,非要把《三统历》采用的“日法”81,说成“黄钟之数九九自乘。” 那“黄钟之数”可是了不得的,那是音律之数,那是天数自乘,也是宇宙节律之数,是天与人相通的气之共鸣之数。(如果读者有兴趣, 可以参阅我发表在《中国国家天文》上的拙作“候气:中国古代的迈克尔逊-莫雷实验?”) 

开普勒也要为天文学找到数学根据。他相信宇宙世界是上帝创造的,而那全智全能的上帝,创造世界绝不是任意胡来,而一定按照一定的“原型”(Archetype )创造出来的。 而这要从数中去找。 

他的数学授课看来并不太受学生欢迎,有时他可能只好对着黑板“自说自画”。但就在这“自说自画”的过程之中,他来了灵感:圆的内接正三角形有一个内切圆,这两个圆的半径的比例正好与两个行星轨道的半径的比例差不多,行星之间的距离是不是按照这样的规则来确定的呢?他用更多的内切圆和外接圆,试图解释五星的距离,但给果与实际观测数据完全不符。百思之中,又有恍悟:天体是在三维的空间之中,用二维的几何模型去解释五星的距离,自然是不合适的。于是他从三维的解度去思考,他想到了世界上多面体只有5个,内外交接的正多面体之间有5个球面,正好可以解释天上为什么只有5个行星。而且这些球面之间的距离与行星轨道间的距离吻合的相当不错。 开普勒认为这是自己重要的发现,而且认为是对哥白尼日心说的强力支持。1597年,他在图宾根发表了他的研究成果,取名《神秘宇宙》。“神秘”,决没有我们现在所认为的带有贬义的意思,而是神的秘密被揭示了出来,是伟大无比的事情。 

《神秘宇宙》中的数字与实际观测还是有不少的差距。当时欧洲鼎鼎大名的第谷,已在神圣罗马帝国鲁道夫皇帝的赞助下在布拉格建立了天文台,所做的天文观测其精度达到前所未有的高度。与这些数据相比,《神秘宇宙》中的推测,还是十分粗糙。但是开普勒的这项工作,为他赢得了很好的名声,大家都公认他的数学才能。远在布拉格的第谷,拿着那么多的数据,需要开普勒这样的数学天才去分析。而开普勒天生近视,天文测量不可能是他的强项,他也迫切需要第谷这样的测量数据来构造他的“神秘宇宙”。当时正值格拉兹反宗教改革运动汹涌,新教信仰者的日子很不好过,开普勒真想到第谷那里去工作。他们相约, 1600年1月1日相见。 当然真正相见的日子不一定这么巧,不过也是在1600年1月的某个日子。 这是后话。 

再说开普勒在格拉兹的数学教授生活。本来就没有几个学生听课,收入低得可怜。不过他兼做一份工作,就是做占星家的角色,每年为地方出一本黄历,多少可以有点收入补贴。据说他推的黄历还比较准。他的黄历预测:某年,天气将会奇冷,土耳其人会入侵。6个月后,他写信给他的老师马斯特林:“今年果然奇冷,阿尔卑斯山的农民冻死了许多。有些农民回到家里,手抹鼻子,鼻子就掉了下来。土耳其人则进攻到了维也纳附近的乡村。” 

占星,那可不能简单地以“迷信”对它嗤之以鼻。不然的话,本世纪初那位英国的大哲学家波普尔(Karl Popper),凭什么要费尽心思来证明占星术是“伪科学”呢(另外还有两项)? 在古代,它是与天文学分不开的。事实上,当时天文学家如果不会占星,那基本上就不配做天文学家。现在说它是“伪科学”, 在古代它可是一种“经验性的科学”。 占星者,观星也。观星,并试图对其进行解释,离科学不应该太远。要不中国古代,为了星占的目的,辛辛苦苦,记录了那么多天象,就没有任何科学意义了? 古代的天文学家,要搞天文历法,还不是得先学“太一”、“六壬”、“奇门遁甲”这些占星术的把式?道理其实同我们现代科学教学也差不多。我总是要先学一些简单的、定式的东西,熟练掌握之后才可以去搞复杂的东西。比如我们当年学力学时,老师出题总要假定重力加速度是10自由落体设个5米、15米之类的高度,好使我们解起来容易。真正的物理,肯定不是这么简单的。古代天文学家把“太一式”搞清了,就学会了周期8年、12年、28年等种种“星神”之间的会合运动,不久他就可以处理周期是11.86年的木星运动了。 所以,千万不要把星占与科学对立起来。开普勒的天文之旅就是从占星术起航的。 

开普勒把占星术当作一门实实在在的经验性的科学来做。他做了好多人物的“天宫图”, 推算他们出生时的天体的位置, 记录他们生活中的事件。 总之, 想积累更多数据。 他对占星的态度是十分认真的, 可以说是一丝不苟。 对待自己, 对待他的亲人, 天宫图说什么, 他就记录什么, 一点也不会因面子问题而有所隐讳。 

开普勒的出生日期是有记录的, 那是15711227日下午2:30可是他母亲怀上他的时间, 他用他的天宫图推出来是1571516日凌晨4:37这就是为什么我们说他是一个早产儿的原因: 他在娘胎里只孕育了2249小时53分钟。 

关于他的父亲, 开普勒的天宫图里是这样描述: 海因里希,我的父亲,生于1547年1月19日,生性邪恶,顽湣不化,吵吵嚷嚷,一生注定没有好结果… ” 

开普勒对占星术如此专注,也不是不务正业。占星术中就包括他对宇宙神秘的思考。试想,我们人类实际上时时刻刻都在受到来自天体的影响, 季节的变化,人体的节律,这是明摆着的,是不容否认的。至于天体究竟怎样影响每个人具体的生命活动的细节,那是不好确定的,所以靠有大量的经验数据来研究。开普勒的这个看法,同中国宋代的一位大政治家王安石的看法有点类似。王安石为了应付保守派司马光等借天象对他发动的政治攻击,说天象固然是要影响人事,但不一定是某个特定的天象一定影响某个特定的人事(你们说彗星出现,是我的新政不好。 我看未必,没有根据!)所以,星占还是要通过大量的经验数据去探讨天与人之间究竟有什么关系,这是古人追求的大学问,我们为什么要把它贬为一无是处呢?重要的是,我们在开普勒那里,看到了一种为了信仰,为了探究而表现出来的,充分想象,不断验证,不懈努力,实事求是的精神,这些不也是我们做科学所需要的精神吗?  

(未完待续)

 

参考文献:

Johannes Kepler. New Astronomy. Trans. Wiiliam H. Donahue. Cambridge University Press, 1992.

Johannes Kepler. Mysterium cosmographicum: The Secret of the Universe. Trams/ A. M. Duncan. New York: Abaris Books, 1981.

Johannes Keper. Harmonies of the World. Stephen Hawking, ed. Running Press. 2002.

Max Caspar. Kepler. Trans. C. Doris Hellman. New York: Dover, 1993.

James R. Voekel. Johannes Kepler and the New Astronomy. Oxford: Oxford University Press, 1999.

Arthur Koestler. The Sleepwalkers: A History of Man’s Changing Vision of the Universe. Penguin Books. 1959.

Rhonda Martins. Kepler’s Philosophy and the New Astronomy. Princeton University Press. 2000.

Kitty Ferguson. Tycho and Kepler: The Unlikely Partnership That Forever Changed Our Understanding of the Heavens. Walker and Company. 2002.

Gerald Holton. Kepler’s Universe: Its Physics and Metaphysics. In: Thematic Origins of Scientific Thought: Kepler to Einstein, 53-74. Harvard University Press, 1988.

Alexandre Koyre. The Astronomical Revolution: Copernicus—Kepler—Borelli. Trams. R. Maddison. New York: Dover, 1992.

Karl Popper. The Logic of Scientific Discovery. London: Hutchinson, 1959.

《后汉书律历志》.

[]李昉.《太平广记》卷第二十六, 神仙. 中华书局, 1961.

孙小淳 2004 “北宋政治变革中的天文灾异论说”,《自然科学史研究》,233)。

孙小淳. 2009.  候气:中国古代的迈克尔逊-莫雷实验?《中国国家天文》,200992-7.

王国强. 2010. 新天文学的起源. 科学技术出版社.

庄威凤,王立兴. 1988. 中国古代天象记录总集. 江苏科技出版社.

 

附记:前日初发博文,就受到博友关注,颇受鼓舞。有博友谈及占星术的问题,也有博友提及宗教与科学的问题,还有博友提到科学史与科学教育的问题。承蒙罗教明教授问及普朗克与二十世纪初物理学的问题,问题特别有意义,可我对这些历史虽然有些了解,但终不敢回答这么重要的问题。也许以后可以试着回答。但这些问题促使我动手写关于开普勒的拙文。过去想了很多,但就是懒得动笔。 今天终于开写,得2 页之多,所以感谢博友的启发。

 



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