97-1-科學發展史

科學發展史心得報告

題目：克卜勒行星橢圓定律的初始內涵 授課老師：洪萬生教授作者：國立台灣師範大學　姚珩、黃秋瑞 學生：釋修若（劉維如）

前言：
克卜勒以哥白尼數學的簡單性及均勻性為基礎理念，更進一步推廣「日心說」。他還證實：太陽是在行星軌道的偏心點上，而非圓心上。他並認為太陽所放射出之光芒，對行星在不同地方會有不同的影響，由此導出了，行星在距離太陽不同位置會有不同速率之距離規則。從這個基本規則，最後他得到了行星的橢圓軌道定律。本篇文章透過「行星橢圓定律」，來了解當時的科學背景和思考方式。
段落重點：
一、歷史背景
巴比倫人大約在西元前兩千年，把天上分成12 個星座。從那時巴比倫人開始累積了許多天文資料與觀測方法。當希臘人建立並發明了幾何方法與抽象思考後，即以此方法，發揮在巴比倫的天文學上。
天體上最特殊的一個現象，即是有五顆會動的星體，它們不像月亮是穩定地以圓弧前進，而是有時會有倒退逆轉。第一位用幾何模型來詮釋行星的Eudoxus (400-347 B. C.) 被視為天文學之奠基者。

二、在西方暢行近15 世紀之久的學說──「目的論」、「地心說」
(384 – 322B.C.)亞理斯多德之「目的論」→(130 A. D.)托勒密「地心說」。托勒密製造「合成模型」用此模型以等角速率，描述每一顆行星運動的細節，並建立起非常完整的天文圖表，與實際的觀測結果差別不到0 1 度。

三、科學革命的開始──哥白尼「日心說」
哥白尼(1473-1543)質疑偏心點體系，本輪中心與均輪中心連線所成角度，並非均勻改變，亦與均勻或等速運動原則相矛盾，背離了自然簡單性，破壞了幾何學之美感。
最後，哥白尼發現若將太陽置於圓心上，則會與觀測值相當吻合。

四、克卜勒的「偏心學說」
1. 支持哥白尼的「日心說」，
2. 解決哥白尼對太陽位置的模糊性之問題
3. 行星確實具有環繞太陽運轉之非等速性。
4. 接受了托勒密之偏心點觀點，且賦予其更新的內涵。
哥白尼雖然提出了日心理論，但他依然不易全然擺脫地心說之殘留影響。譬如，他
視地球與其他行星不同，在天體運行論中，所有除了地球以外的行星軌道，其偏心距均是以地球軌道之中心為參考點，而唯獨地球軌道之偏心距，是從太陽為中心起算。顯然，哥白尼對地心說並不完全摒棄，且對日心說之學說提出並不完整。

五、天體動力學的成因—距離規則
火星與地球軌道之偏心學說，他指出火星與地球或任何其他行星並不是在做等速圓周運動，行星靠近太陽時，會運動得較快；當遠離太陽時，會運動得較慢。簡言之，環繞著宇宙中心運動的行星，若愈遠離此中心時，它將以較少的力被推動著。
他更指出，宇宙之中心並非在地球所作正圓軌道之中心，而是在偏心點上之太陽。由於太陽位於偏心點上，故對行星在不同距離的遠近日點處，會有不同影響，由此形成了最重要的天文動力學原理－距離規則；行星在遠日點與近日點處，行經相同路徑所需花費的時間，與至太陽的距離成正比。此規則成為他推導出的「橢圓軌道定律」之真正基礎。於是克卜勒大膽提出：行星的路徑是個完整的橢圓。
這就是克卜勒行星第一定律，在科學史上克卜勒是第一位對天文學進行嚴密數學處理的人，也是第一個確立起「自然律」的人。更是第一位在成功探索自然律時，發現其藝術性者，因為，前人只是在努力應用自然過程，建立起說明性的概念。

六、結論：克卜勒是地動說（日心說）的忠實擁護者，且於哥白尼逝世60 年後，第一位將其學說證實、推廣，並形成重要的「行星定律」。其中雖得力於第谷豐富的天文資訊，更關鍵的是克卜勒看出，哥白尼倡導的「數」，其真實性與潛在力量為宇宙運動之原因，即數學所呈現的簡單性、和諧性；以及凡數學上為真的東西，在實際上、或天文學上也為真。這種信念，使得克卜勒終其一生投入在天文學與數學知識的結合。
註：古典物理：伽利略落體運動→克卜勒行星定律→牛頓以此觀念創造「力學」，
是故從國中直到大學的普通物理學皆以伽利略的加速度概念開始；高中物理則簡單介紹克卜勒行星定律。

七、老師的話：在教學上，我們當然無法也不需將克卜勒行星定律所使用的方法，加以詳細推導。然而了解重大科學定律的形成，是要在科學家的思想上產生什麼樣的轉化與改變，方能達成。