“孤岛效应”打破优雅与和谐的宇宙（上）

1619年，开普勒发表一生中主要著作之一的《宇宙和谐论》，在书中提出了行星运动三定律中的“第三定...



1619年，开普勒发表一生中主要著作之一的《宇宙和谐论》，在书中提出了行星运动三定律中的“第三定律”，即：行星绕太阳运动时，椭圆轨道半长轴的三次方与公转周期的二次方成正比。行星运动的第三定律又称之为“调和定律”。1609年，开普勒发表了《新天文学》一书，在书中提出了行星运动的“第一定律”和“第二定律”，行星运动的第一定律又称之为“椭圆定律”，1601年10月，丹麦天文学家第谷去世，第谷的学生和助手开普勒继承了他的天文事业，他应用第谷临终前遗赠的大量火星观测资料，深入探究火星的运动，发现了火星的公转轨道为椭圆，太阳位于其中的一个焦点，由此得出行星运动的“第一定律”，即：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳处在椭圆的一个焦点。行星运动的第二定律又称之为“面积定律”，即：在相等时间内，太阳和运动行星的连线所扫过的面积都是相等的。

开普勒进一步指出，行星运动“三大定律”不仅适用于火星，而且适用于其它行星。开普勒“三大定律”对行星绕太阳的运动做了一个相当完整、正确的描述，解决了天文学的一个基本问题，即：行星如何运动？这一问题曾使哥白尼、伽利略这样的科学巨匠都感到迷惑不解。开普勒没能说明“三大定律”形成的原因，直到17世纪后期，艾萨克·牛顿通过万有引力定律得以清楚阐明。开普勒对行星运动规律的观测和分析触及到“背后的引力”，在“背后引力”的证明中已经发现：如果行星的轨迹是圆形，则符合假设的引力定律，如果行星的轨道是椭圆形，则难以证明。牛顿后来用很复杂的微积分和几何法证明了沿椭圆轨道运动的行星也符合万有引力定律。

牛顿曾经说过：“如果说我比别人看得远些的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”牛顿发表的此番感言得到科学史料的佐证，17世纪的晚期，有一个支持牛顿学说的流派，他们认为开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来，反之，也能从开普勒定律中精确地推导牛顿引力定律，但是，这需要更先进的数学方法，开普勒生活的时代缺少微积分的数学工具，即使如此，开普勒的思维触及到微积分，他以敏锐的洞察力判断：行星运动受来自太阳的引力控制。我们现在可以认为在开普勒行星运动的“三大定律”和牛顿的“万有引力定律”符合隐含的“等效原理”，两大定律的相互推导证明了“等效性关系”的存在。开普勒定律指明了行星的“运动学”，牛顿定律则指明了行星的“动力学”，开普勒定律分析了行星运动的表象和形式，而牛顿万有引力定律则分析了行星运动的本质和内容。“等效原理”不是“等同原理”，开普勒行星运动和牛顿万有引力属于两个不同性质的定律，就像爱因斯坦的时空引力和牛顿的物质引力属于两个不同性质的理论一样。

开普勒于公元1571年出生在德国的威尔德斯达特镇，恰好是哥白尼发表《天体运行论》后的第二十八年，哥白尼在这部伟大著作中提出了行星绕太阳而不是绕地球运转的学说。1618—1621年，开普勒发表《哥白尼天文学概要》一书，热情宣扬哥白尼的日心学说，系统介绍自己的天文学思想，这本书成为17世纪欧洲影响最广的天文学著作。开普勒发现了天体的和谐运动，牛顿则发现了天体和谐运动的内在原因，在开普勒之前的哥白尼发现了太阳位于太阳系和谐运动的中心。公元二世纪，出生埃及的希腊学者托勒密提出了宇宙结构的“地心说”。这一学说是古希腊哲学家亚里士多德的首创，亚里士多德认为宇宙的运动是由上帝推动的，宇宙是一个有限的球体，分为天地两层，地球位于宇宙中心，日月围绕地球运行，物体总是落向地面。地球之外有9个等距天层，由里到外的排列次序是:月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天，此外空无一物。各个天层自己不动，上帝推动了恒星天层，恒星天层带动了所有的天层运动，人居住的地球则静静地屹立在宇宙的中心。直到16世纪哥白尼发表了“日心说”，托勒密集大成的“地心说”才逐渐地被推翻。亚里斯多德和托勒密的“地心说”代表了天文史上错误的天体和谐论，而哥白尼、伽利略和开普勒的“日心说”则代表了天文史上正确的天体和谐论。

西方哲学最早的“天体和谐论”是由古希腊哲学家毕达哥拉斯提出的，根据古代巴比伦人提出的一种哲学观念：“把宇宙变成一个发出乐音的宇宙，把音乐变成宇宙的摹本和代表”，毕达哥拉斯将自己对宇宙天体之间关系的认识和音乐中各音程之间的数学关系加以对应，用数学抽象的方法推出了一套宇宙和谐的理论。毕达哥拉斯和毕达哥拉斯学派认为，万物的始基不是可以具体感觉的物体，而是抽象的数，数是万物的始基，数支配世界，数包含万物的本质，人们认识宇宙的结构及其规律和认识支配世界的数没有区别。毕达哥拉斯学派把数的概念绝对化、神秘化，把数看作是先于事物而独立存在的神秘实体，认为一切事物无不具有数的属性，都可以进行计算和推演。

毕达哥拉斯学派试图在数中寻找一切事物存在的原因和意义，认为“万物的本原是一，一产生二，从一和二的组合中产生无穷的数”，“从数产生出点，从点产生出线，从线产生出面，从面产生出体，从体产生出感觉所及的一切形体，产生出四种‘元素’：水、火、土、气，这四种‘元素’以各种不同的方式互相转化，创造出有生命的、有精神的、球形的世界。” 毕达哥拉斯学派在“数字化生存”中发现对称和比例的“和谐”关系，世界上的万物都以数为“范例”，宇宙天体按照“和谐”数的关系进行运动，以“和声”为基调构成一个“和谐”的世界。毕达哥拉斯学派甚至把“宇宙和谐论”用于人类社会，认为社会秩序也和直角三角形“毕达哥拉斯定理”的边长关系一样，存在永恒的“和谐秩序”，认为只有贵族统治才符合“和谐”的秩序，平民的诉求和希腊的民主制都破坏了“和谐”的秩序。

（邓如山 2017-3-16  yywgs@163.com）

（“The effect of lonely island” has been  breaking  grace and harmony of the universe ）

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