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为什么太阳系的所有行星都有一个共同的“魔幻数”?

开普勒第三定律能推导出一个十分有趣的数值,法国天体物理学家沙隆日把它称为“魔幻数”。对于确定的中心天体,比如太阳,若选取一定的时间单位距离单位,这个数就是一个确定的常数K。在太阳系里,选择年作为计量时间的单位,天文单位(即太阳地球的平均距离,约等于1.496亿千米)作为计量距离单位。由开普勒第三定律的公式

地球环绕太阳运行的数据P=1年,a=1天文单位代入,可得K=1。它就是太阳系的开普勒魔幻数。我们可以用这个关系式来求太阳系任何一个行星太阳距离,只要测定它的公转周期即可。以木星为例,它的公转周期是12年。

由上式得

因此

于是

如果取地球为中心天体,以小时为时间单位,以万千米为距离单位,那么地球的魔幻数K=7.6。这个魔幻数适用于环绕地球运行的一切卫星。以月球为例,它的公转周期P月球为27.32天。用小时计量相当于

因此

求上列结果的立方根就得到月球与地心的距离

现在请注意距离的计量单位,我们选择了1万千米。因此38.4就是38.4万千米,结果非常接近于实际的地月距离

如果把一颗人造卫星发射到空间,使它在赤道上空“停留”在我们的头顶上(即所谓的地球同步卫星),它的周期就应该与地球的自转周期一致;因此P卫星=24小时。根据地球开普勒魔幻数就可以知道这个卫星的高度,但要注意这是卫星到地心的距离因此要再减去地球赤道半径6378千米。答案是35941千米,即约3.6万千米。

【科学家】第谷

第谷·布拉赫(1546—1601),丹麦天文学家,出生于一个贵族家庭。16世纪晚期,他在丹麦的汶岛上设立了两座天文台,用自己设计制造的仪器坚持天文观测20余年,精度达到望远镜问世前肉眼观测的极限,获得了大量高精度的行星和恒星位置资料,被誉为古代天文观测大师。他的观测资料为开普勒发现行星运动三定律提供了必不可少的条件,实际上也为哥白尼学说的发展做出了重要贡献。

【科学家】开普勒

约翰·开普勒(1571—1630),德国天文学家。青年时代即显示出卓越的理论思维才能,深受第谷欣赏。1600年他访问第谷,次年第谷逝世。开普勒通过分析第谷观测资料总结出了行星运动三定律,发展了哥白尼的日心说。他在天文学上的贡献还有:观测并研究了1604年出现的超新星,改进了折射望远镜,用第谷观测资料编制星表,预报了水星和金星的凌日等。

【发散思维】如果要月球停在地球赤道上某一点,需要距地心多远?

【本文关键词】行星运动定律 地球同步卫星