互动科普

宇宙中有各种各样的天体和现象。这些天体和现象是偶然出现的，抑或是在某些自然定律支配下的必然结果？

科学家通过不断地观测、实验和思考，已经发现了隐藏在宇宙背后的许多“定律”。他们究竟是如何发现这些定律的？恒星和行星乃至宇宙全体究竟要遵循哪些定律？

开普勒定律、万有引力定律以及哈勃定律……知道了这些定律，你必定会从宇宙话题中获得更大的乐趣。本文就来介绍这些“宇宙定律”。

“宇宙这本大书是用数学语言写成的”——伽利略

被誉为“近代科学之父”的意大利科学家伽利略·伽利雷（1564〜1642）在他于1623年出版的一本书中写有这样一句话：“宇宙这本大书是用数学语言写成的”。伽利略用这句话表明了他的一个观点：宇宙中发生的一切全都是由一些可以用数学公式来表示的规则即定律支配的。

例如伽利略发现的“自由落体定律”就是这样的一条支配宇宙的定律。此定律说：“下落物体的速度与其重量无关。下落时间增加到2倍，则距离增加到4（＝2²）倍；时间增加到3倍，则距离增加到9（＝3²）倍。”按照这条定律，忽略空气的阻力，轻羽毛和重金属球都以同样的方式下落。

那么，宇宙背后究竟隐藏着哪些定律呢？接下来，我们就来逐条介绍自伽利略以来科学家通过观测、实验和思考所发现的这些支配宇宙的定律。

图. 目光转向宇宙的伽利略

“L’universoèscritto in lingua matematica”（宇宙这本大书是用数学语言写成的），这是伽利略写在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1623年）中的一句话。事实上，这是伽利略用自制的放大倍数约30倍的望远镜认真观察过行星、月球和太阳等天体以后形成的支持哥白尼的观点。他根据观测结果改变了他之前人们信守了长达1400年的旧的宇宙观，并做出了许多新的发现。

发现支配行星运动的定律

与伽利略生活在同一时代的一位德国天文学家约翰内斯·开普勒（1571〜1630）也坚信“宇宙遵守严格的秩序”。

开普勒对火星和木星等行星的运行非常感兴趣，并有幸成为在汶岛的天堡天文台※进行精密天文观测的布拉赫·第谷（1546〜1601）的助手。他有机会得到第谷长年积累起来的大量观测数据，埋头进行详细分析，终于发现了隐藏在行星运动背后的那些规律。

起初，同主张地动说的波兰天文学家哥白尼（1473〜1543）和伽利略一样，开普勒也相信行星的轨道应该是完美的圆形。

他通过详细分析观测火星复杂运动所得到的数据最先发现的一条定律是“行星和太阳的连线在相等的时间内必定扫过相等的面积”（第二定律）。这个结果使他备感困惑。因为，根据这条定律和观测数据计算出来的火星轨道无论如何也不会是一条完美的圆形轨道。

经过多次修正错误后重新进行计算，开普勒终于认识到，此前认为行星轨道一定是完美的圆形的那种看法是错误的，行星运行的轨道不是完美的圆，而应该是稍微偏离圆的“椭圆”（第一定律）。

那以后，开普勒又发现了最后一条定律：“行星围绕太阳运行一周的时间的二次方与行星的椭圆轨道的长半径的3次方成正比（第三定律）。”开普勒所发现的这三条关于行星运动的定律就是著名的“开普勒三定律”。

利用开普勒三定律能够正确说明所观测到的所有行星的复杂运动。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）