人类与星空

来自微信公众号：赵数理

经常有学生问我，“老师，开普勒是四百多年前的人，那个时候没有计算机，也没有航天飞机、卫星啥的，他是怎么得出了开普勒行星运动三定律呢？毕竟星星距离我们好远好远，感觉好神奇。”

的确很神奇。

但这个问题问反了。

正是有了开普勒等一大票当时世界上最聪明的人仰望星空，才有了如今的航天飞机、火箭卫星等航空航天事业，才有了天气预报，才有了GPS导航，才有了更大的星空梦想！

是时候科普一下了。

哥白尼——改变人类的宇宙观

15世纪时的欧洲是严格的政教合一，大教主的权利至高无上，拥有生杀大权。为了维护教权，他们宣扬自己的各种观点，比如“地心说”，即大地是宇宙的中心。

15世纪末，哥伦布发现了新大陆，麦哲伦（他的船员）完成了环球航行，“大地”的概念逐渐被“地球”取代，人们开始认识到地球是个球。

布鲁诺等一批违反教廷学说的学者都被烧死（其实真实情况比较复杂）。对此，主张“日心说”的哥白尼有点怕，但内心又坚定地维护自己的观点，他的一生都在纠结。

直到临近古稀之年，哥白尼预料自己时日无多，不用再怕教会迫害，将自己一生研究的精华《天体运行论》发表。石破天惊！人类的宇宙观从此发生翻天覆地的变化，“原来太阳才是宇宙的中心呀”。

哥白尼开启了现代科学的大门，从此一发不可收拾。

开普勒——天空立法者

开普勒的老师叫第谷·布拉赫，第谷是谁呢？第谷是望远镜发明之前最后一位伟大的天文学家。开普勒总结和分析了前人大量的观察数据，抛弃了“圆轨道”说，指出行星运动轨迹是椭圆。还总结出了面积定律和半径立方与周期平方成正比的规律。

但行星轨迹为什么是椭圆呢？

在思考和计算这个问题时，开普勒差点推导出万有引力公式（牛顿的万幸），最关键的一点是数学上的计算搞不通。直到几十年后，牛顿发现了万有引力、发明了微积分，用微积分的复杂而机智的计算解决了行星轨道问题。

在宗教重压下研究科学是很危险的，开普勒的生活并不舒服。而他是个真正有趣的人，可以说开普勒是科幻小说的鼻祖，在1600年出版过一本《梦游》，里面幻想月亮上有人，创造了“喷气推进”、“零重力”“轨道惯性”等一批当时来看极其科幻的概念。

牛顿——天不生牛顿、万古长如夜

牛顿身世不好，在他出生前三个月，父亲就去世了。从小不喜欢继父，也因为母亲改嫁而不喜欢母亲。我想，牛顿一生未婚就是因为童年的这段阴影吧。

牛顿小时候并不是神童，是个充满好奇心的比较聪明的小男孩，对一切都想探个究竟。

家庭贫困，牛顿差点辍学，幸好中学校长说服了牛顿的母亲，他才得以高中毕业。

18岁，牛顿高考进入了剑桥大学。本来已经保研了，本科毕业是要接着在剑桥读研，结果当时欧洲爆发了瘟疫，学生都被遣散回家。22岁的牛顿回家之后，潜心研究，24岁之前搞出了微积分、光学，还有万有引力！！！（大写的服）

在多次网络评选中，牛顿经常被评为“英国最伟大的人之首”，“影响人类历史进程的人前三名”等。

自从万有引力公式和微积分的推出，天文学进入了加速阶段，从占星、观察等传统方法，进入了轨迹精准计算阶段，人们开始用数学去解释天文现象。

另外，牛顿还是最卓越的手工艺人。为了更好的观察星空，牛顿自制了一台天文望远镜，物镜和目镜的镜片完全是牛顿自己纯手工磨制，这台望远镜是当时全世界最精密的，直到牛顿去世十年后才有人造成更精确的天文望远镜。

哈雷——大数据挖掘鼻祖

哈雷是牛顿的好友。牛顿是剑桥的，哈雷是牛津的。

人们在很早之前就知道彗星，所有人都认为彗星跟流星一样，是意外路过大地上空的天体，完全随机。

哈雷将前人对彗星的记录做了大量的数据分析，在海量的数据中他发现，1607年开普勒观测的和1531年阿皮延观测的彗星轨道相近，再往前找，每隔75或76年这颗彗星都有记载。于是，哈雷对这颗彗星的轨道进行了精密计算，预测1759年，这颗彗星还会回来。结果，1759年3月13日，这颗彗星真的回来了，天文学家沸腾了，哈雷太牛了，这颗彗星就叫哈雷彗星吧！（其实哈雷预测这个彗星是3月12日回来，为什么差了一天呢？请继续往下看）。

哈雷不仅是天文学家，还当过船长、测绘员、牛津大学几何教授，还是深海潜水钟的发明者，还发明了气象图和运算表，甚至还发明了鱼类保鲜的实用方法。

八星聚齐——海王星的发现

人们发现天王星后，有数学家计算出了天王星的轨道。但随着观测的跟进，发现真实轨道与计算预测的轨道总是有偏差，而且每次修正后还会再次“出轨”。

天文学家慌了，难道是牛顿的万有引力不管用了？

1759年3月13日，哈雷彗星果然回来了，但为什么比哈雷预测的晚了一天呢？绝大多数人觉得，76年一个周期，才晚了一天，这是可以忽略不计的。

但有几个最敏锐的科学家认为，可能是天王星外面还有一颗大行星，哈雷彗星被“拉”了一下，所以迟到了一天。如果真的有这颗行星，或许就可以解释天王星出轨的问题了。

几麻袋稿纸。

然后，海王星真的被“算”了出来！

没错，海王星不是观察出来的，毕竟距离太远了，那时候的望远镜还没有足够高的分辨率和放大倍数。

数学，牛逼！为数学欢呼！

哈勃空间望远镜——冲出大气层

天文学的瓶颈越来越明显。海王星已经太远了，如果想观察更远的天体，需要更好的望远镜。但问题并非这么简单。

哪怕再大的望远镜，只要在地球上，在观测时肯定受到大气层的干扰，也要受到地球自转和微小振动的干扰，这对于观测更远的宇宙影响极大。

1990年，哈勃空间望远镜发射成功。这是一台位于地球大气层上方的望远镜，可以免除大气和大地的扰动，视野极为清晰。

2016年，哈勃望远镜捕捉到距离地球134亿光年外星系发出的微光，而宇宙大爆炸是138亿年前，也就是说人类现在可以直接观测到宇宙大爆炸4亿年时的样子了！

历数人类与星空的历史，那些最伟大的科学发现，往往不是功利主义的引诱，而是出自内心的对于真理的探索。

事实证明，这些在初期（牛顿及之前的年代）看似完全无用的天文学，极大地促进了人类的进步。

  如今我们的理工科教育，中学完全停留在解题技巧的练习，大学也是唯有用论。而真正对于人类与宇宙的思考，对真理孜孜以求的发问却少的可怜，但洞悉事物表象后面的规律才是科学的真正意义所在！而实用只是水到渠成。

探索真理，这是人类最伟大的事业。