“西医底蕴”反思(三)之『轨道说』

兮招天

【百年西风东渐，破除洋人迷信，看清史实真相，反思重建信心】

    本系列转载自｛马海飞 新浪博客《关于西方科学史上，与物理学有关的几个重要理论，它们对于“华人思想，心灵枷锁”的功过大反思》｝

    亚里士多德(地心说)、哥白尼(日心说)、开普勒(轨道说)、牛顿(万有－引力说)、爱因斯坦(相对论)……原来这些科学巨人，真相皆是毁誉参半，功过两分！

    但是，真正蒙骗我们的乃是“现行一刀切式应试教育的中、小教材”，而非是……

    “天行健，君子以自强不息”，让我们追本溯源，第一次看清楚“那些西医洋人昂昂盛姿的历史底蕴所在”，而不必妄自菲薄……

    “天作孽，犹可违；自作孽，不可活。”客观公正的文化反思，将给予我们重建中医华人信心的磐底，但前提是立刻行动起来，时不我待！】
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　　开普勒定律，也叫“行星运动定律”，是指行星在 宇宙空间绕太阳公转所遵循的定律。它或用几何语言，或用代数方程，将行星的坐标及时间跟轨道参数相连结。

　　由于是德国天文学家，物理学家开普勒根据丹麦天文学家 第谷·布拉赫10年之间对于行星轨迹的观测资料和星表，通过他本人的观测和分析后，于1609～1619年先后归纳提出的，故行星运动定律即指开普勒三定律。

［定义内容］
　　开普勒的三条行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。

开普勒第一定律
　　开普勒第一定律，也称椭圆定律；也称轨道定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

开普勒第二定律
　　也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。 这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的 角动量守恒。

开普勒第三定律
　　也称调和定律，也称周期定律：是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有 行星，其 椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。表达式：a^3/T^2=K

　　这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转 周期，K是常数，其大小只与中心天体的质量有关。常用于椭圆轨道的计算。其中，M为中心天体的质量。

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　　卫星有近地、远地的趋向,所以是椭圆的。

　　圆形轨道只是椭圆轨道一种极为特殊的特例，而且即使能达到，也是不稳定的。所以目前观测到的大行星都是椭圆轨道。而小行星则不然，很多是椭圆的，也会在特殊的位置受到大行星的引力影响改变轨道，变成抛物线或者双曲线轨道。

　　做一个小实验就知道为什么了：在椭圆盆中加入半盆水，把几个乒乓球放入水盆里，把盆里的水搅转，就会发现乒乓球做椭圆轨道运动。

　　把乒乓球看作行星，把整盆水看做一个星系，水就象我们看不见、摸不着的宇宙流体（这种流体充斥着整个宇宙，流体的动量分布：距离旋转中心越远宇宙流体的动量越大）
。按照理论在没有外力的影响下平衡位置是一个圆形！

　　注意条件『没有外力，没有初始状态』，在实际上不可能具有这种假设。圆形的平衡轨道，一旦丧失几乎不可能恢复！因此，轨道多时呈椭圆圆形──在数学理论上，圆形更完美、更普遍一些；但现实物理世界中，圆形轨道仅是椭圆轨道的一种特例。

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　　卫星轨道分为赤道轨（包括地球同步轨）、极地轨、太阳同步轨。

　　卫星要在这三种轨道上切换是不可能的也没必要，一是卫星本身没有那么多燃料（要不然就不叫卫星应该叫飞船了）；再者，卫星的设计功能决定了它的轨道，换成其他种类的轨道很难保证卫星还能正常发挥作用。

　　当然这是实际当中的，如果建立在纯理论上还是可以的，想变轨只要让卫星的运行速度、方向等达到目标轨道的要求并将卫星机动到目标轨道就好了（说的比较简单，真正操作起来就是重新发射一次，不过地点是在太空），希望你能明白。

［数学引导］

　　开普勒定律是关于 行星环绕 太阳的运动，而 牛顿定律更广义的是关于几个粒子因 万有引力相互吸引而产生的运动。在只有两个粒子，其中一个粒子超轻于另外一个粒子，这些特别状况下，轻的粒子会环绕重的粒子移动，就好似行星根据开普勒定律环绕太阳的移动。

　　然而牛顿定律还容许其它解答，行星轨道可以呈 抛物 线运动或 双曲线运动。这是开普勒定律无法预测到的。在一个粒子并不超轻于另外一个粒子的状况下，依照广义二体问题的解答，每一个粒子环绕它们的共同 质心移动。这也是开普勒定律无法预测到的。

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正文1

　　开普勒的研究成果虽然对科学发展也很重要，但他并没有带来什么对人类世界观的改变。只是把哥白尼认为是正圆形的轨道纠正成了更符合现实的椭圆而已。

　　因此，开普勒对科学的主要贡献实际上并不是科学理论方面的，而是在具体描述天体运行规律的技术层面上的。其综合意义与哥白尼的日心说相比相差很大。尤其对哲学和宗教等方面几乎没有多大影响。所以，开普勒在普通民众中的知名度并不高。

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2

　　在开普勒的学生时代，占据科学主流位置的理论还是地心说。据说他当时的老师是一个暗地里相信哥白尼日心说的人。他在课堂上讲授的是地心说，但在私底下跟开普勒说：他实际上相信日心说才是正确的。

　　正是因为早期受到了这种哥白尼日心说正确观念的影响，开普勒后来才得以抛弃了托勒密以地球为中心研究和计算行星轨道的那种传统套路，而是以太阳为中心去研究和计算行星的运行轨道。这让他发现，计算结果比托勒密的结果要简单很多。

　　在托勒密的计算结果中，行星的运行轨道并不一定都是圆的，有些是不规则的。但开普勒的研究结果显示，所有行星的运行轨道都是规则的椭圆。所以，开普勒的研究结果不仅证实了哥白尼的日心说是正确的，同时也把哥白尼的正圆轨道给纠正了过来。

　　由此可见，观念的正确与否对科学研究来说是多么地重要了。如果开普勒当时没有接受哥白尼的正确观念的话，他就会像托勒密那样从事一些几乎是浪费时间的研究。估计在人类的历史中这样的人肯定也有过不少，但都毫无结果地默默而终了。今天类似的状况仍然存在。因为观念不正确而耗费一生都做不出成果的科学家并不是少数。

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3

　　哥白尼的理论虽然非常不精确，但大方向是正确的。这说明在重大科学理论中，正确比精确更首要。精确的数学推导虽然重要，但只有在正确理论指导的前提下才有意义。如果大方向错了的话，再怎么精确的数学运算和推导也是白费工夫。

　　开普勒虽然建立了三个定律。但从理论上讲，只有第一个“椭圆定律”算是一个理论上的成果。其余的两个定律都是对椭圆定律在数学上的进一步描述。多普勒认为太阳系中所有行星的运行轨道都是一个闭合的椭圆。所以说，我们可以把开普勒的理论称为“椭圆轨道说”。

　　椭圆轨道说对计算天体运行规律的确提供了非常有用的依据。并且，开普勒的研究成果为牛顿发现万有引力现象中的平方反比规律奠定了不可缺少的基础。这些都是开普勒的椭圆轨道说对科学发展做出的重大贡献。

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4

　　但是，开普勒所描述的天体运行轨道后来被证实并不是闭合的椭圆，而是一直处于微小的进动之中。由于这种进动造成的影响在很多情况下并不显著，因此，后人对此基本上都采取了忽略的态度。

　　于是，直到今天，教科书里还是用“椭圆轨道”来描述天体的运动形式。这种错误的观念严重地影响了人们对自然现象的正确认识以及对不同理论的接受意愿。

　　在开普勒以及更早的时代，把天体的运行方式作为“轨道形式”对待是有利于科学发展的。但是，因为开普勒成功的研究成果却让后人的思路一直被“轨道”束缚着。结果“轨道说”就成了阻碍科学发展的传统观念了。

　　所以说，在开普勒的理论中，他对天体运行轨迹做出“椭圆形状”的描述是基本正确的。但是，他用“轨道”去描述天体的运动方式则是对后人的误导。甚至牛顿也被“轨道说”给误导了。这种误导一直持续至今。这就是今天的科学研究难以产生突破性成果的重要原因之一。

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5

　　其实天体的运动并不是像火车那样沿着轨道运行，而是按照我们看不见的空间场的强度所确定的一个球面运动着。所以，针对开普勒的研究成果，我们可以接受的是他理论中的“椭圆”部分以及在数学运算中得到的结果，而不是他的“轨道理论”。

　　轨道理论是一个让后人产生错误观念的理论。观念错误的话，用任何形式的研究都无法正确认识自然现象。
　　（待续）