伽利略时代最伟大的发现是发现了发现的方法

约翰尼斯·开普勒是最伟大的科学家之一，或许只有同时期的伽利略可与之媲美，而后只有牛顿超越了他。他发现的行星运动三定律，使得哥白尼的日心说不再是“数学天文学”意义上的假设，而成为与实体对应的“物理天文学”假说，从而真正确立了日心说。

  开普勒行星运动三定律是怎样诞生的，对后世的影响与启示又是什么？中国科学院自然科学史研究所研究员、中国古天文联合研究中心主任孙小淳博士，近日应本报记者之邀发表见解。本月中旬，孙小淳博士将赴法国巴黎参加2009国际天文年专题论坛并发表演讲。

  1600年，年轻的德国天文学家开普勒来到捷克西部山城布拉格，成为第谷·布拉赫的助手。

  第谷将毕生观测数据交予开普勒，希望他继续编制世界上最精确的行星运行表。第二年第谷与世长辞。具有深厚数学功底的开普勒经多年研究后发现，依据哥白尼理论，这些浩繁的数据可归纳为描述行星运动的3条简单明晰的定律：

  1．行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆的一个焦点上（每个椭圆都有两个焦点）；2．连接太阳和行星的线段，在相等的时间内扫过相等的面积；3．行星绕太阳运动，椭圆轨道平均半径的立方与周期的平方成正比。

  这3条定律对太阳系中所有的行星都适用，当然包括地球；根据这3条定律，可通过数学计算，预报行星在天空中的位置，而且预报与观测结果十分相符。开普勒的发现，确立了哥白尼学说在科学史上的地位。

  最初，哥白尼的日心说认为：行星是在做完美的圆周运动，行星轨道中心并非太阳本身而是太阳附近一个抽象的点。开普勒彻底抛弃了传统的圆形轨道假定，认为行星是绕太阳作椭圆运动，并且太阳本身就位于一个焦点。

  早在大学学习时，开普勒即对托勒密与哥白尼体系进行过深入对比研究。1596年，他发表《宇宙的神秘》一书，试图用5个正多面体模型解释：为何只有包括地球在内的6颗行星，为何其轨道恰恰是这样的比例和尺度。后来，他在布拉格倾心于火星运动特征与规律探索，并称此为“火星之战”。他认为火星距地球较近，轨道偏心率较大，其运动最捉摸不定，而这是研究行星运动问题的难点。

  起初，开普勒仍按传统观念，以圆形求证火星轨道。然而，最大误差为8角分的计算无法与第谷观测数据相合；后来他改用椭圆计算火星轨道，于此进行了大量冗长的计算——每改变一个假定，就要计算40多组数据。在计算机尚未诞生的时代，其困难可想而知。当开普勒发现第一定律即椭圆轨道定律时，他兴奋无比，在图解上配以胜利女神图案。椭圆轨道虽然不如圆形完美，可在这之前他已发现了第二定律即等面积定律，这符合简单完美的原理，令开普勒非常满意。

  1609年，开普勒出版《新天文学》一书，发表了上述两个定律。不同于一般学术著作，此书详尽地记录了他在“火星之战”中提出的假设，及其经历错误、失败、挫折直至最后胜利的过程。

  此后经过长期繁复的计算以及无数次失败，开普勒最终发现了第三定律即周期定律，他于1619年出版《宇宙谐和论》一书发表了该定律。

  自此，开普勒证明了他在青年时代就认定的大自然是按简单完美的数学之美创造世界的信念，而且这些定律是建立在第谷精密的观测数据之上；后来牛顿用万有引力定律加以推导，使开普勒定律不再是数学上的猜想而是伟大的科学发现。可以这样说，是伽利略将行星运动三定律从天上“拉”到地上构筑地上的力学，而牛顿又将伽利略地上的力学运用到天上，用一个普适的力学描述天体运动，并最终证明了开普勒定律。伽利略的新物理学、开普勒的天体数学谐和论和物理天文学，加之牛顿的物理学数学原理，构成了近代科学最美丽的乐章，奠定了经典力学基础。

  后来，开普勒式科学研究方法成为近代科学主要探索方法之一。18世纪70年代，德国的提丢斯和波得提出提丢斯-波得定则，即行星到太阳的距离近似满足一个数列。1781年赫歇耳发现天王星差不多恰好处在该定则所预言的位置；按照定则，在火星和木星之间应有一颗行星，1801年，意大利天文学家皮亚齐果然在这个距离上发现了小行星谷神星。

  如今已不称作“行星”的原第九颗行星冥王星，当初发现时曾证明牛顿天体力学的神奇。1846年海王星被发现后，人们发现其轨道受到较明显摄动，应当是由另一颗行星引力影响所至。用牛顿力学可推算其所处位置。1930年，美国的汤博终于在预测的天区观测到冥王星。应当说，这是天体力学的重大胜利。

  开普勒的科学思维方法，不同于当时逐步居主导地位的机械论和归纳法。他的灵感来自哲学的信仰，他的方法是凭直觉假定模型，尔后再用观测数据不断加以验证。对于这种方法，人们今天可能会斥之为数字神秘主义，然而科学发现本无定则，方法和途径原本就很多。真正伟大的发现必然来自跳跃式想象。开普勒就具有无与伦比的精巧推理和数学洞察力；此外还由于他坚定的信念、永不言败的精神和严密谨慎的工作。当开普勒立志要发现一个普遍法则后，他从来没有迷失方向，他的想象力无约束地沉浸在各种假说的创造之中，然后他用最严密的数据加以检验，亦从不放过一点差错，直至发现这些优美而深奥的定律。

  回顾这段科学史，对启发今人科学思维与科学方法仍具重要意义。科学发现往往系由煽动两翼导致，一翼是直观的思维、跳跃的想象和大胆的假设，而另一翼则是经验的归纳、严密的推论和严谨的验证。回顾伟大科学家走过的道路，有益于人类面向未来寻找达到顶峰的途径。