形上集

1609

400年前帶給天文界重大變革的,不只是伽利略的望遠鏡而已。

撰文/高涌泉

形上集

1609

400年前帶給天文界重大變革的,不只是伽利略的望遠鏡而已。

撰文/高涌泉

常注意科學新聞的人應會知道,在國際天文聯合會推動之下,第62屆聯合國大會宣佈明年(2009)為全球天文年(見11月號〈伽利略發明望遠鏡400年〉),這意味著明年一整年將有一連串的活動來促進全世界民眾──尤其是年輕人──對於天文學的了解與興趣。


這或許會引人回想起,2005年也曾被聯合國訂為世界物理年,當年世界各地的物理學家舉辦了一連串的活動,慶祝與紀念的是愛因斯坦在100年前(也就是1905年)對於物理學的貢獻:愛因斯坦在那年寫了數篇革命性的論文,改變了文明的方向。譬如說,E=mc2這個著名公式就誕生於1905年。既然世界物理年是為了慶祝愛因斯坦的「奇蹟年」,那麼全球天文年是否也有類似的意義?


根據2009全球天文年官方網站的說明,此一活動所慶祝的是伽利略在1609年首次將望遠鏡指向天空這件劃時代之事的400週年紀念。伽利略從他改良的望遠鏡看到了之前無從想像的景象:月球不完美的表面、木星的四個衛星、銀河中無數的星星等,將天文學提升至另一境界。


伽利略的貢獻毫無疑問是值得大肆慶祝的。不過1609年其實還另有一件偉大的科學成就,也應列入天文年的慶祝對象,那就是克卜勒在那年發表《新天文學》一書,闡述了著名的第一與第二行星運動定律。第一定律即是行星以橢圓軌道繞行太陽,太陽位於橢圓焦點之一處;第二定律則是行星與太陽的連線在相同時間內,掃過的面積相同,也稱為等面積定律。(至於第三行星運動定律:行星環繞太陽週期的平方與軌道半長軸的立方成正比,則出現於克卜勒在1619年發表的《世界的和諧》一書中。)


克卜勒本人不從事觀測,他的定律是從丹麥人第谷所觀測到的火星軌道數據所整理來的。第谷是最偉大的裸眼天文觀測家,其數據可精準至1/60度,約是地球看月球視角的1/30而已,比哥白尼時代的數據還好上20倍。克卜勒的數學很強,第谷雇他當助手,希望他幫忙整理出行星的正確軌道。克卜勒知道第谷是一絲不苟的人,他的數據絕不能馬虎以對。所以當克卜勒發現無論怎麼努力,還是無法用哥白尼以圓形建立的體系來說明第谷數據(兩者至少差了8/60度)時,他只有放棄對於哥白尼體系的信仰。(克卜勒當然還是相信哥白尼的日心說,他所推翻的是自希臘時代以來,包括哥白尼在內所有人對圓形的執著。)憑著對真理的熱誠與對於第谷數據的信心,克卜勒在多次嘗試後,終於發現只有橢圓軌道才能吻合第谷的數據。


以上克卜勒發現行星運動定律的故事,是物理教科書中的標準陳述,用意是讓學生知道一絲不苟與尊重實驗(觀測)數據的意義與重要性:第谷與克卜勒只要稍微睜一隻眼閉一隻眼,就會放掉名垂青史的機會!儘管這是老掉牙的故事,我每次一想及克卜勒,總還是覺得他做出了不可思議的事,我相信絕大多數人在克卜勒的處境之下,會找個理由把8/60度這麼一丁點誤差搪塞過去;就算不如此做,也大約想不出橢圓這種奇異的軌道。之後過了半世紀多,牛頓進一步將行星運動定律歸納進萬有引力學說。大家平常視牛頓為最偉大的數學物理天才,但我以為如果要說克卜勒的工作比牛頓的困難,也不是沒道理。


伽利略比克卜勒大七歲,兩人相識且有一些信件來往。克卜勒只從事理論研究,而伽利略則對理論與實驗都很在行,又是寫文章的高手,常被稱為現代物理學之父。有人注意到雖然伽利略知曉克卜勒的定律,但從未在討論地心說與日心說優劣的《關於兩種主要世界系統的對話》一書或是其他文章中提及克卜勒,為何如此,眾說紛紜。有人以為那是因為伽利略不熟悉天體數學,或是不相信克卜勒的橢圓軌道,也有人以為那純是因為伽利略心胸窄了點。


愛因斯坦在過世前不久對一位來訪者說:「啊!你可以在那麼多科學家身上看到虛榮!伽利略沒有公開認可克卜勒的工作這件事,一直讓我痛苦。」


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第82期12月號】