第三目太阳系银河系及宇宙的关系（全国一等奖）

开普勒大战玛尔斯直到哥白尼时代，天文学家仍不能精确地测量一颗行星与它附近一颗恒星之间的距离，因为无法确定行星在众星之间的准确位置，也就很难搞清楚行星运动的准确情况。后来，一位名叫第谷·布拉赫的天文学家扭转了这一局面。第谷是天文学史上一位颇有影响的天文学家。他1546年12月14日诞生在丹麦的一个贵族家庭，受过良好的教育，从小喜欢天文学，18岁的时候已发现当时使用的《普鲁士星表》记载的行星运动情况有较大的误差。1572年11月的一个黄昏，他走出实验室，发现位于天顶的仙后座出现了一颗从未见过的星星，比金星还亮。他连续观测了一年多，记录了这颗星的亮度和颜色的变化，认为它是一颗遥远的星星。此星后来被称为“第谷超新星”。这一发现是第谷在天文学上作出的第一个重要贡献。丹麦国王腓特烈二世十分赞赏第谷的观测才能，于1576年聘他为皇家天文学家，并拨巨款为他在汶岛建造了一座当时最出色的天文台，第谷称它为“现天堡”。第谷为天文台配备了许多称雄于欧洲的天文仪器，这些仪器都是他亲自设计，请工匠在当地制造的。第谷周围集结了不少训练有素的助手，在他的指导下，天文台进行了不计其数的天文观测，其中包括恒星、所有能观测到的行星，以及那时出现过的彗星。由于第谷设计的天文仪器精良，观测技术精湛，所测天体位置的精度几乎达到肉眼观测的极限，所以第谷被人们赞誉为“星学之王”。腓特烈二世死后，第谷逐渐被丹麦宫廷冷落，天文台的经费不断被削减，使他难以维持日常工作。1597年3月15日，第谷在汶岛上完成了最后一次观测后，愤然离开了那里，前往哥本哈根。不久，第谷又得到鲁道夫二世的支持，为他在布拉格城外建造了一座天文台。第谷通过长期观测积累了极为丰富的资料，但却缺乏自如地运用它们的能力。因此后人评价第谷是望远镜问世前观测天文学的登峰造极者，但却不是一位高明的理论家。第谷本人也清楚地认识到，观测只是手段，如果不和理论联系在一起，再精确的观测结果也没什么用。为此，他物色了一位比自己小25岁的年轻人——约翰·开普勒一起工作。开普勒当时是奥地利某学校的一位数学教师，业余时间一直在研究行星运动，他曾把自己写的《宇宙的神秘》寄给第谷。第谷虽然不赞同开普勒书中的观点，却看出开普勒具有天文理论家的潜质，他认为开普勒的理性思维能力正是自己所缺少的。1600年2月4日，29岁的开普勒风尘仆仆地来到布拉格城外的天文台，与第谷走到了一起。天文史学家认为这一天是天文学史上值得纪念的日子，他们的合作是体现近代科学精神——观测与理论的交融和对证的最早范例。在开普勒到来之前，是第谷的学生隆戈蒙塔尼斯负责火星的观测，现在第谷把这颗最“狡猾”的行星——火星交给开普勒“管束’，并把自己的一部分火星观测资料交给他。开普勒如获至宝，他根据第谷的观测结果，进行了大量计算，完成了对火星的初步研究。1601年10月24日，第谷因病去世。临终前，第谷把开普勒请到床前，把全部资料交给他，嘱咐他一定要编好《鲁道夫星表》。由于开普勒小时候出过天花，视力很差，不可能做出像第谷那么高超的天文观测，但在理论上他却比第谷高出一筹，他接受哥白尼的观点，竭力把观测到的火星位置变化纳入环绕太阳运动的圆形轨道。然而，他的仔细分析却一再表明，火星在天空中的位置变化，无论如何也不能与任何圆形的轨道吻合，日心纬度有一个8弧分的误差。8弧分是一个多大的角度呢？把一个大圆分成360份，每份是1弧度，1弧度又分成60份，每份是1弧分。8弧分只是1弧度的1/7到1/8的样子，相当于钟表秒针秒转过的角度。第谷曾对火星做了16年的辛勤观测。这8弧分的误差是不是冬夜呼啸的寒风冻僵了第谷的手指使观测失误，或是第谷心情不好时把行星的位置搞错了？当然不会。开普勒深信第谷那鹰隼一般的锐眼和一丝不苟的工作态度，他毅然放弃了自己一次又一次的假设，凭着科学家的敏锐思维和尊重观测资料的科学态度，牢牢抓住这8弧分不放，下决心要弄个水落石出。开普勒在一篇文章中风趣地写道：“我曾经想征服战神玛尔斯（指火星），把它俘虏到我的表格里来，我已经为它配好了枷锁。但是，我突然感到我的胜利是毫无把握的，战斗还是和以前一样激烈地进行着！诡计多端的玛尔斯挣断了我用方程构成的锁链，逃向自由去了。”虽然四年的计算毫无结果，但开普勒毫不气馁，他说：“我的团队溃败了，但是我又召集了新兵去作战。”失败促使开普勒改变原来的研究方法，这次他决定从物理学的角度来研究行星的运动轨道。在开普勒之前，人们一直相信行星以不变的速度沿着圆周轨道运动，却没有研究这些天体为什么会做这种运动。开普勒研究了这个问题，他假设自转着的太阳会产生一种磁性放射物，驱使行星在轨道上运动，距离太阳越远的行星受到的引力越弱，所以运动速度越慢。开普勒认为行星围绕太阳运动的轨道不应是一个正圆，而应当是一种卵形的曲线，并且是一种最简单的卵形曲线——椭圆。椭圆是我们大家很熟悉的一种图形。椭圆的变化情况一般用偏心率e来表示，偏心率越大，越接近1，椭圆形状就越扁；偏心率越小，越接近0，椭圆的形状就越趋近于圆。今天我们知道，太阳系所有行星的轨道都是椭圆形的，偏心率均很小，和圆很接近；太阳位于行星轨道的两个焦点之一，对于轨道偏心率很小的行星，可以说太阳近似地位于它的轨道中心。玛尔斯（指火星）再也无法逃脱了，只好俯首听命，老老实实地被套进开普勒编制的星表中。随后，其他行星也成了开普勒的“阶下囚”。开普勒兴奋地在他手稿的最后一页画了一张胜利女神的肖像，此时，开普勒好像看到古希腊和罗马人心目中象征胜利的维多利亚女神正乘着车子赶来为他贺喜，给他送来芳香四溢的月桂花冠。胜利是来之不易的。1605年，开普勒给隆戈蒙塔尼斯的信中，叙述了自己在现实的逼迫下是多么艰难地和传统观念决裂的：“我碰了成千上万次的壁，才最后找到了这条道路……你劝我在研究