如果我們(men) 問一個(ge) 中國小孩：“你知道的著名天文學家都有誰？”答案可能少不了張衡（公元78年-139年）。如果在全球範圍內(nei) 問這個(ge) 問題，排名第一的則多半是哥白尼（公元1473-1543年）。他的不朽名著《天體(ti) 運行論》，為(wei) 人類揭示了“日心說”的真諦，掀起了一場“哥白尼革命”。

不過，鮮為(wei) 人知的是，還有一個(ge) 比日心說更難突破的觀念，即便是哥白尼也沒能再進一步。這就是行星的橢圓軌道。

從(cong) 正圓到橢圓

對偏愛幾何學的古希臘人來說，圓是最完美的形狀。和它同樣完美的，還有宇宙本身。以亞(ya) 裏士多德為(wei) 代表的古希臘先哲們(men) 認為(wei) ，日月是圓的，大地是圓的，星辰的軌道當然也是完美的圓形。托勒密（約公元90年-168年）的地心說體(ti) 係，把圓軌道的幾何發展到了極致。他用幾十個(ge) 小圓套大圓的方法，相當準確地計算出了行星的運動軌跡。1400多年後，哥白尼橫空出世，提出了驚世駭俗的日心說，但他依然沿用圓軌道來描述行星運動，這使得計算仍然比較繁瑣。

太陽係行星“全家福”  圖片由作者提供

最先突破圓軌道桎梏的，是一對黃金搭檔——開普勒（1571-1630）和第穀（1546-1601）。第穀是那個(ge) 時代最勤奮、最精確的觀星者。他孜孜不倦地觀測了20年，積累了大量日、月和行星運動數據，準確性幾乎達到了肉眼觀測的極限。開普勒根據老師第穀的數據，發現無論是托勒密還是哥白尼體(ti) 係都無法精確給出行星的位置。火星的資料最多，偏差很明顯。他為(wei) 此花費了8年的心血，終於(yu) 發現，隻要拋棄圓軌道，讓行星以變化的速度沿橢圓軌道圍繞太陽運動，就可以完美地解釋火星的數據。在此基礎上，他得到了開普勒第一定律：“行星圍繞太陽沿橢圓形軌道運動，太陽在橢圓的一個(ge) 焦點上。”

橢圓運動可以完美地預言和解釋經驗事實，而且也遠比托勒密或哥白尼體(ti) 係簡單，所以人們(men) 稱開普勒為(wei) “天空立法者”。

從(cong) 橢圓到近圓

開普勒發現了橢圓軌道，不過當時並沒有人能給出解釋，直到牛頓時代才揭開了其中的奧秘。根據牛頓的萬(wan) 有引力定律可以計算出，兩(liang) 個(ge) 天體(ti) 組成的係統，它們(men) 繞質心運行的軌道隻可能有三種情況：橢圓、拋物線、雙曲線，其中圓軌道是橢圓軌道的一種特例。

在太陽係這樣的係統中，行星軌道是難以維持圓形的。圓軌道要求行星的公轉速率保持恒定，如果太陽係隻有一顆行星，這個(ge) 條件不難滿足。但事實上行星不止一顆，它們(men) 相互之間也有引力擾動，會(hui) 直接影響軌道的形狀。以火星為(wei) 例，就算它的初始軌道是正圓，但每當它和木星繞到太陽的同一側(ce) 時，木星引力就會(hui) “拉”它一把，使它變速。很快，火星軌道就會(hui) 偏離正圓，最終變成一個(ge) 基本穩定的橢圓。

有意思的是，行星軌道也不會(hui) 是非常扁的橢圓，而是更接近於(yu) 正圓。這也許可以看作是一種“自然選擇”。首先，一顆軌道很扁的行星，會(hui) 有更大的概率和其他行星靠得很近，從(cong) 而受到更強的引力擾動，使軌道不再穩定。其次，如果多顆行星的軌道都很扁，這些軌道就很容易形成交叉，行星碰撞的概率也會(hui) 大大增加。碰撞之後，要麽(me) 散成碎片，要麽(me) 合並成更大的星體(ti) 。在太陽係40多億(yi) 年的曆史中，各種頻繁的碰撞曾持續了將近10億(yi) 年。最終的行星“幸存者”都具有了近圓形的軌道，其中水星的軌道最扁，偏心率達到了0.206，其他行星都不到0.1。有研究表明，現在的太陽係是穩定的，在接下來的5000萬(wan) 年裏任何行星都不會(hui) 失控。但水星確實是個(ge) “隱患”，會(hui) 有大約1%的概率失控，並可能導致地球和火星碰撞。不過這即便真的發生，那也是很多億(yi) 年以後的事了。

什麽(me) 時候才真的圓？

完美的圓軌道隻是理想情況，可望而不可及。不過宇宙之大，無奇不有，十分接近圓軌道的情況也不在少數。土星光環就是一個(ge) 例子。土星環在形成的過程中，無數碎片不停地碰撞、分解，它們(men) 最終形成了一圈圈相當標準的圓軌道，就像唱片一樣裏外排開。內(nei) 環和外環之間還有圓形的縫隙，例如著名的“卡西尼”縫和“恩克”縫等。這表明，頻繁的隨機碰撞的確會(hui) 使天體(ti) 的軌道變圓。

除了碰撞以外，在一些雙星係統中，潮汐摩擦也會(hui) 使得兩(liang) 星的軌道最終都趨向圓形（稱為(wei) “軌道圓化”）並相互“潮汐鎖定”。我們(men) 的太陽係中就有這樣的例子，即冥王星和它的衛星喀戎（冥衛一）。它倆(lia) 的質量相差不大，在不長的時間內(nei) 就互相“鎖定”了，也就是都以同一麵對準對方，就像月亮總是以同一麵對著地球一樣。在這種情況下，它們(men) 繞著二者質心旋轉的軌道幾乎就是正圓。

總之，無論是近圓還是橢圓軌道，盡管不是幾何意義(yi) 上的完美，但其實也都體(ti) 現著宇宙的和諧。從(cong) 這一點來看，今天的我們(men) 和幾千年前的先哲們(men) ，對宇宙的看法其實並無二致。

（作者係北京天文館副研究員，“大手拉小手”科普誌願者）

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