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太阳系：你要这么说，八大行星都不绕太阳转！( 三 )


圆形轨道这个形象从此就深深的嵌入了人类文化之中 。 在此后古希腊天文学500年的发展历史中 ， 亚里士多德、托勒密等学者始终没有放弃圆形轨道 。
亚里士多德认为行星运动的本质是随着多层天球 ， 以不同的速度在转动 ， 轨迹是完美的圆形 。 托勒密（Claudius Ptolemy ， 约90年—168年）综合历代天文学家的工作 ， 总结成了圆环套圆环的均论-本轮体系 ， 在数学上很好的解释了行星的运动规律 ， 在当时的观测精度下取得了不错的结果 。
在托勒密之后一千多年里 ， 古希腊天文学的成就随着地中海周围帝国兴亡变幻 ， 在古希腊、拜占庭帝国、阿拉伯帝国之间辗转 ， 最终进入拉丁欧洲 。 但从柏拉图开始的圆形轨道假设非常顽固地保留下来 ， 即使到16世纪在哥白尼的日心说里 ， 哥白尼把宇宙中心从地球转移到了太阳上 ， 但是仍然认为包括地球在内各行星轨道应该是圆形的 。
太阳系：你要这么说，八大行星都不绕太阳转！
本文插图

图说：开普勒行星运动三定律 。
【左 ， 轨道定律：行星在椭圆轨道上运动 ， 太阳在椭圆的一个焦点上 。 Sun太阳 ， plane行星】
【中 ， 面积定律 ， 行星和太阳的连线在相同时间里扫过相同的面积 。 注意图上应该是“1个月”】
【下 ， 周期定律 ， 各行星椭圆轨道半长轴a的立方与周期T的平方之比是一个常量 。 】
图片出处 https://blogs.futura-sciences.com/e-luminet/2018/02/09/geometry-cosmos-1-kepler-polyhedra-ellipses/
在上文数据表里 ， 我们还可以看到除了水星之外 ， 火星轨道椭率是最大的 。 而且火星离地球相邻 ， 距离变化最为明显 ， 最容易观测 。 因此 ， 秘密正是从火星揭开的 。 四百年前 ， 丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe ， 1546－1601年）用了二十年时间对行星运动尤其是火星轨迹进行了长期的逐日观测 ， 德国天文学家开普勒（Johannes Kepler）利用第谷的观测数据 ， 又用了近二十年时间 ， 计算得到了行星运动三定律 。
开普勒指出所有行星分别是在大小不同的椭圆轨道上运行（轨道定律）；在同样的时间里行星和太阳连线在轨道平面上所扫过的面积相等（面积定律）；行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比（周期定律） 。 其中轨道定律就推翻了持续两千年的“圆形轨道”假设 。 这三大定律最终使他赢得了“天空立法者”的美名 ， 也为牛顿建立他的万有引力定律奠定了基础 ， 现代科学的大幕随之拉开 。
参考文献
[1]太阳系数据来源
https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/
[2]用中学椭圆方程描写行星轨道
http://www.ijsrp.org/research-paper-0516/ijsrp-p5328.pdf
[3]柏拉图向弟子们提出了一个任务：用圆形轨道组合解释行星的不规则运动 。
https://www.astronomynotes.com/history/s3.htm
[4]牛顿《自然哲学之数学原理》 ， 北京大学出版社 ， 2006， ISBN: 9787301095515


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