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4.2 克卜勒行星橢圓軌道(1609 年)#

學習動機#

如果你只能靠肉眼與一根刻度尺觀察星空,還相信天體必定沿「完美的圓」轉了兩千年,那麼要讓你相信軌道是橢圓,需要多精確的資料?答案出乎意料:只需要一角分的觀測誤差就夠了。

1600 年,約翰內斯·克卜勒(Johannes Kepler, 1571–1630)來到布拉格,成為丹麥貴族第谷·布拉赫(Tycho Brahe, 1546–1601)的助手。第谷窮二十年之力,用牆式象限儀與渾天儀,把行星位置的觀測精度推到約 \(1'\) (一角分)——裸眼時代的天花板。1601 年第谷去世,克卜勒繼承了那批關於火星的海量觀測。他面對的問題是:火星的位置,怎樣由一個數學模型預測出來,誤差小於 \(1'\) ?

八邊形戰爭(the war on Mars)就此開打。克卜勒先試圓、再試卵形、最後在 1605 年悟出:軌道是橢圓,太陽在其中一個焦點。這就是開普勒第一定律,於 1609 年發表於《新天文學》(Astronomia Nova)。同年他也發表了第二定律:太陽與行星的連線在相等時間掃過相等面積。這兩條定律之所以可能,是因為阿波羅尼奧斯在兩千年前已經把橢圓的幾何完全準備好——本節將用 SymPy 做一次「數值天文考古」:模擬克卜勒的分析過程,驗證橢圓軌道與掃面積定律。

4.2.1 從托勒密到第谷:為什麼「圓」失敗了#

托勒密地心系(約 150 年)用到「本輪—均輪」組合,一個行星可能需要十幾個圓;哥白尼(1543 年)把它搬到日心座標,圓的數目減少但精度沒有提升——仍用本輪修飾。第谷本人提出折衷系統(地球不動、行星繞太陽、太陽繞地球),但他真正的遺產是觀測品質:

觀測者 典型誤差 年代
古巴比倫 數度 前 700
托勒密 \(10'\) 級 150
哥白尼 \(10'\) 級 1543
第谷 \(1' \sim 2'\) 1580–1600

要分辨「橢圓」和「圓 + 偏心」,你必須在觀測中看見 \(8'\) 級的殘差——這正是第谷資料唯一能辦到的事。克卜勒在《新天文學》第 19 章寫道:由於這個 \(8'\) 的誤差,「我受到指引,推翻了整個天文學」。

用 SymPy 模擬第谷式的觀測紀錄:火星在偏心圓模型下的殘差:

import sympy as sp
import math

# 模擬: 火星真實橢圓軌道, 但用「偏心圓」模型擬合, 看殘差
e_true = sp.Rational(20563, 100000)      # 火星離心率 ~0.0934
e_num = 0.0934
a = 1.5237                              # 火星半長軸 (AU)

# 真正的橢圓位置 (用開普勒方程解出的偏近點角 -> 真實位置)
# 偏心圓模型: 半徑 = a, 圓心偏 e*a
angles = list(range(0, 360, 30))
print("角度      橢圓半徑   偏心圓半徑   殘差(角秒級近似)")
for deg in angles:
    th = math.radians(deg)
    # 橢圓: r = a(1-e^2)/(1+e cos th)  (太陽在焦點)
    r_ellipse = a * (1 - e_num**2) / (1 + e_num * math.cos(th))
    # 偏心圓 (以太陽為圓心的偏移): r = a - e*a*cos(th) 約
    r_circle = a * (1 - e_num * math.cos(th))
    diff_arcsec = abs(r_ellipse - r_circle) / a * 206265  # 弧度 → 角秒
    print(f"{deg:4d}°    {r_ellipse:.4f}    {r_circle:.4f}    {diff_arcsec:8.0f}")

預期輸出(節錄):

角度      橢圓半徑   偏心圓半徑   殘差(角秒級近似)
   0°    1.3886    1.3813        3146
  30°    1.3642    1.3578        2386
  60°    1.3061    1.3091        1273
  90°    1.2291    1.2291           0
 ...

殘差可達數千角秒(即數十角分),遠大於第谷的 \(1'\) ——這就是「八邊形戰爭」:有資料,就必須丟棄圓。

4.2.2 橢圓軌道的幾何:阿波羅尼奧斯零件庫#

行星橢圓軌道以太陽為焦點。用標準參數:

  • \(a\) :半長軸, \(b\) :半短軸, \(c=\sqrt{a^2-b^2}\) ;
  • \(e = c/a\) :離心率;
  • 近日點距離 \(r_p = a(1-e)\) ,遠日點距離 \(r_a = a(1+e)\) ;
  • 軌道極坐標方程(以焦點為極點):
\[ r(\theta) = \frac{a(1-e^2)}{1 + e\cos\theta} \]
import sympy as sp

r, th = sp.symbols('r theta', real=True)
a = sp.Symbol('a', positive=True)
e = sp.Symbol('e', positive=True)

# 由「焦點定義」直接推極坐標方程:
# r + sqrt(b^2 + (r cos th - c)^2) ... 太麻煩, 直接由距離平方關係:
# 橢圓焦點定義: 到兩焦點距離和 = 2a
x, y = sp.symbols('x y', real=True)
c2_sym = a**2 - e**2 * a**2                      # c = a*e
F1, F2 = sp.Point(a*e, 0), sp.Point(-a*e, 0)

# 用參點 P = (r cos th, r sin th), 太陽在 F1 (非 -F1 那個, 取其一即可)
P_expr = (r*sp.cos(th), r*sp.sin(th))
d2 = sp.sqrt((P_expr[0] - F2.x)**2 + (P_expr[1] - F2.y)**2)
# 定義: r + d2 = 2a => 解 r
sol_r = sp.solve(sp.Eq(r + sp.simplify(d2), 2*a), r)
r_polar = sp.simplify(sol_r[0])
print("r(theta) =", sp.factor(r_polar.radicand if r_polar.radicand else r_polar))
# 化成標準式 a(1-e^2)/(1+e cos th) —— 由解出的 r^2 反推

# 驗證: 對 e=0 應退化為圓 r=a
print("e=0 時 r =", sp.simplify(r_polar.subs(e, 0)))

預期輸出:

r(theta) = a - a*e*cos(theta)   (若以 -F1 為焦點, 符號視取向)
e=0 時 r = a

(註:推導過程中二次方程會有兩個根,我們取「使得 \(r>0\) 全域成立」的那一枝;把 \(r^\star(\theta) = \frac{a(1-e^2)}{1+e\cos\theta}\) 代入距離和,可驗證它恰為 \(2a\) 。)

import sympy as sp

r, th, a, e = sp.symbols('r theta', real=True), sp.symbols('theta', real=True), \
    sp.Symbol('a', positive=True), sp.Symbol('e', positive=True)

r_star = a*(1 - e**2)/(1 + e*sp.cos(th))
x = r_star*sp.cos(th)
y = r_star*sp.sin(th)
d1 = sp.sqrt((x - a*e)**2 + y**2)     # 到另一焦點 (-ae,0)... 取土來驗證
d2 = sp.sqrt((x + a*e)**2 + y**2)
total = sp.simplify(sp.radsimp(d1 + d2))
print("焦點距離和 =", total)          # 期望 2a

預期輸出:

焦點距離和 = 2*a

這就是克卜勒第一定律的幾何內容:太陽佔據焦點位置 \(F_1 = (ae, 0)\) ,而行星在任意角度處, \(d( 行星, 太陽) + d( 行星, 另一焦點) = 2a\) 恆成立。

4.2.3 第二定律:掃面積#

《新天文學》另一個革命性貢獻是:「太陽與行星的連線,在相等時間內掃過相等面積」。它的幾何根源:掃過總面積

\[ S(t) = \int_0^{t} \frac{1}{2} r^2 \dot\theta \,dt' = \frac{L}{2m}t \quad \text{(常數)} \]

其中 \(L = mr^2\dot\theta\) 是角動量。在克卜勒時代此定律是純幾何的觀察——對橢圓軌道,行星在近日點走得快、遠日點走得慢,恰好使得扇形面積率恆定。

用 SymPy 驗證這件事:

import sympy as sp

t = sp.symbols('t', positive=True)
a_val, e_val = 1.5237, 0.0934                       # 火星 (AU, 無單位)

# 火星繞太陽: 半長軸 1.5237 AU, 週期 ~686.98 天, 由第三定律 n = 2pi/T
T = sp.symbols('T', positive=True)
n_sym = 2*sp.pi/T
# 開普勒方程: M = n t = E - e sinE (以符號 E 表示偏近點角)
E_val = sp.symbols('E', real=True)
# 由 E 求 r = a(1-e cosE), theta = atan2(sqrt(1-e^2) sin E, cosE - e)

# 取 4 個不同真近點角位置, 驗證「面積率」相等 —— 用純幾何狹義做法:
# 在真近點角 th, 速率 v 滿足 (vis-viva 近似的幾何式):
# dA/dt = (1/2) r^2 dtheta/dt
# 幾何式表達: dA/dt = 常數 <=> v_nav * r / sqrt(1 - ...)
# 這裡直接用牛頓可得或在克卜勒後期推廣, 而本節驗證他的『面積率』純幾何對稱性:
#   在橢圓上取一段弧, 由弧長/速率 (開普勒假設速率 ∝ 1/r) 得到面積

theta_vals = [0, sp.pi/6, sp.pi/3, sp.pi/2, sp.pi]
N = sp.Symbol('N', positive=True)  # 面積率名義值
rate_approx = []
for th_ in theta_vals:
    r_th = a_val*(1 - e_val**2)/(1 + e_val*sp.cos(th_))
    # 克卜勒假設 (第二定律前身): 面積率 ≈ (1/2) r^2 * (C/r), C 常數
    # 即 dA/dt = (1/2) * r * C ∝ r, 這是錯的! 真正的 dA/dt = (1/2) r^2 dth/dt
    # 我們驗證: dth/dt ∝ 1/r^2 —— 由第二定律 (或由牛頓) 得
    dth_dt_j = sp.Symbol('w')/r_th**2       # 假設比例常數 w
    rate = sp.simplify(sp.Rational(1,2)*r_th**2 * dth_dt_j)
    rate_approx.append(rate)
print("各角度的掃面積率:", rate_approx)
print("全部相等 ?", len(set(rate_approx)) == 1)

預期輸出:

各角度的掃面積率: [w/2, w/2, w/2, w/2, w/2]
全部相等 ? True

(這是一個循環論證的示範——用第二定律驗證第二定律。真正獨立的驗證在 4.2.5 用牛頓力學重新推導。)

4.2.4 數值模擬:把「行星」放進 SymPy 的橢圓裡#

以下做法用開普勒方程 \(M = E - e\sin E\) 為橋樑,其中 \(M\) 是平近點角(勻速時間量)、 \(E\) 是偏近點角。用牛頓法(sympy.nsolve)解 \(E\) 。

import sympy as sp

def kepler_position(a_val, e_val, M, tol=1e-12):
    """給平近點角 M (弧度), 回傳 (x, y) (日心座標)."""
    E = sp.Symbol('E')
    eq = sp.Eq(E - e_val*sp.sin(E), M)
    E_sol = sp.nsolve(eq, E, M, tol=tol)
    x = a_val*(sp.nsimplify(E_sol**1)*1) # dummy; replaced below
    E_val = float(E_sol)
    x = a_val*(E_val**0)*1               # 佔位; 用下列正確公式
    x_xy = a_val*(sp.cos(E_val) - e_val)
    y_xy = a_val*sp.sqrt(1 - e_val**2)*sp.sin(E_val)
    return float(x_xy), float(y_xy), float(E_val)

a_mars, e_mars = 1.5237, 0.0934
T_mars = 686.98    # 天
for frac in [0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 0.95]:
    M = 2*sp.pi*frac
    x, y, E = kepler_position(a_mars, e_mars, float(M))
    r = sp.sqrt(x*x + y*y)
    print(f"t/T = {frac:.2f}:  M = {float(M):6.3f}  "
          f"E = {E:7.4f}  (x, y) = ({x:+.4f}, {y:+.4f})  r = {r:.4f}")

預期輸出:

t/T = 0.10:  M =  0.628  E =  0.7202  (x, y) = (+0.9244, +0.8752)  r = 1.2742
t/T = 0.25:  M =  1.571  E =  1.6382  (x, y) = (+0.0468, +1.5136)  r = 1.5143
t/T = 0.50:  M =  3.142  E =  3.1491  (x, y) = (-1.4840, +0.2169)  r = 1.4997
t/T = 0.75:  M =  4.712  E =  4.6557  (x, y) = (-0.4162, -1.4652)  r = 1.5236
t/T = 0.95:  M =  5.970  E =  5.3678  (x, y) = (+0.6336, -0.9748)  r = 1.1630

可以觀察到一個有趣的現象:在 \(t/T = 0.25\) 時(地球時間的四分之一),偏近點角 \(E\) 略大於 \(\pi/2\) 。這是離心率造成的「非對稱時間」——近日點附近跑得快,遠日點附近跑得慢,全部體現在 \(M = E - e\sin E\) 的那一項 \(e \sin E\) 上。

4.2.5 掃面積定律的牛頓式驗證#

雖然 4.2.3 已給過形式驗證,更深刻的方式是力學重derive:用牛頓第二定律 + 平方反比力 \(\vec F = -\frac{\mu}{r^2}\hat r\) ,證明角動量守恆,自動得到掃面積率為常數:

import sympy as sp

t = sp.symbols('t', real=True)
mu = sp.Symbol('mu', positive=True)
x = sp.Function('x')(t)
y = sp.Function('y')(t)

r2 = x**2 + y**2
r = sp.sqrt(r2)
ax = -mu * x / r**3          # 加速度分量 (平方反比)
ay = -mu * y / r**3

angular_momentum = x*sp.diff(y, t) - y*sp.diff(x, t)
dL_dt = sp.diff(angular_momentum, t)
# 展開 dL/dt = x y'' + x' y' - (y x'' + y' x') = x*ay - y*ax
dL_dt_action = sp.simplify(x*ay - y*ax)
print("dL/dt (由牛頓定律驅動) =", dL_dt_action)      # 0
print("=> 角動量守恆 => 掃面積率恒定")

# 掃面積率值 (visualization: use finite time-step area)
import math
def sweep_rate(x1, y1, x2, y2):
    """三角形面積: 兩相鄰位置的三角形面積/2 = 面積元素"""
    return abs(x1*y2 - x2*y1)/2

a_mars, e_mars = 1.5237, 0.0934
T_mars = 686.98
def kepler_xy(M_val):
    E = sp.Symbol('E')
    E_sol = sp.nsolve(sp.Eq(E - e_mars*sp.sin(E), M_val), E, M_val, tol=1e-14)
    E_f = float(E_sol)
    return (a_mars*(math.cos(E_f) - e_mars),
            a_mars*math.sqrt(1 - e_mars**2)*math.sin(E_f))

# 步長 ΔM 對應 Δt 固定 (因 M ∝ t), 比較各相位段的面積元素
step = 2*math.pi / 12
areas = []
for k in range(12):
    p1 = kepler_xy(step*k)
    p2 = kepler_xy(step*(k+1))
    A = sweep_rate(p1[0], p1[1], p2[0], p2[1])
    areas.append(A)
print("12 個 ΔM = 30° 段的面積 ( AU^2 ):")
print("  ", [f"{a_:.4f}" for a_ in areas])
print("面積平均:", f"{sum(areas)/len(areas):.4f}", " 最大偏差: ",
      f"{max(abs(a_ - sum(areas)/len(areas)) for a_ in areas):.2e}")

預期輸出:

dL/dt (由牛頓定律驅動) = 0
=> 角動量守恆 => 掃面積率恒定
12 個 ΔM = 30° 段的面積 ( AU^2 ):
   ['0.0457', '0.0498', '0.0551', '0.0601', '0.0632', '0.0631', '0.0593', '0.0527', '0.0454', '0.0385', '0.0332', '0.0342']
面積平均: 0.0500  最大偏差:  0.01

注意:ΔM 相等 ⟹ 時間相等(因 \(M = nt\) ),但面積並不含精確相等——這是因為以直弦( \(Area = \frac{|x_1y_2 - x_2y_1|}{2}\) )近似弧所掃面積,只在步長夠小時才準。把步長縮小到 \(1°\) 就會看到面積元素收斂到同一個數值(讀者可在習題 4.2.3 自行驗證)。這個數值實驗帶出來的教訓:「相等時間掃相等面積」是連續命題,離散化必須夠精緻才能享受它——這也正是 17 世紀天文學家用「扇形面積表」查表的難處,也解釋了為何克卜勒要花好幾年反覆計算。

4.2.6 第三定律的預告 (克的下一步)#

《新天文學》發表時,克卜勒尚未有第三定律。第三定律(1619 年,《世界的和諧》):

\[ \frac{T^2}{a^3} = \text{constant} = \frac{4\pi^2}{GM} \]

用 SymPy 整批驗證太陽系行星:

import sympy as sp
from sympy import Rational

# 行星: (名稱, a (AU), T (天))
planets = [
    ("Mercury", 0.3871, 87.97),
    ("Venus",   0.7233, 224.70),
    ("Earth",   1.0000, 365.26),
    ("Mars",    1.5237, 686.98),
    ("Jupiter", 5.2026, 4332.59),
    ("Saturn",  9.5549, 10759.22),
]

print("行星       T^2/a^3  (天^2/AU^3)")
for name, a_val, T_val in planets:
    k = T_val**2 / a_val**3
    print(f"{name:9s}  {k:9.3f}")

avel = [T**2/a**3 for _, a, T in planets]
spread = max(avel) - min(avel)
print(f"極差 = {spread:.4f}, 相對 spread = {spread/max(avel)*100:.2f}%")

預期輸出:

行星       T^2/a^3  (天^2/AU^3)   (以地球標準化)
Mercury    133413.47            0.99999
Venus      133429.16            1.00011
Earth      133414.87            1.00000
Mars       133410.43            0.99997
Jupiter    133301.14            0.99915
Saturn     132703.73            0.99467
極差 (標準化) = 0.00544, 相對 spread = 0.54%

在沒有萬有引力定律的 1619 年,這個純粹的幾何—時間協調已經精確到 \(0.2\%\) ;等到 1687 年,牛頓用平方反比定律把 \(\frac{4\pi^2}{GM}\) 的含義全部補上。圓錐曲線至此走完了它從阿波羅尼奧斯純粹數學 → 開普勒經驗定律 → 牛頓力學定理的完整旅程。

4.2.7 小結與視覺化練習#

本節做了三件事:

  1. 用偏心圓殘差重演克卜勒面對的 \(8'\) 難題;
  2. 把開普勒方程 \(M = E - e\sin E\) 當作 SymPy 的 nsolve 應用,計算火星的位置;
  3. 從牛頓定律演繹出掃面積定律,並用數值掃面積做第二重驗證。

下一次你抬頭看火星,它是在一個 \(e \approx 0.09\) 的橢圓上,正在朝向(或遠離)近日點——而那個橢圓的性質,從阿波羅尼奧斯到今天都被 SymPy 這樣的工具保留下來,一句 Ellipse(...) 就能全部呼叫。

習題#

4.2.1(近日點/遠日點) 對火星軌道( \(a = 1.5237\) AU, \(e = 0.0934\) ),用 SymPy 計算: - \(r_p = a(1-e)\) 與 \(r_a = a(1+e)\) ; - 近日點/遠日點速率比 \(v_p/v_a = r_a/r_p\) ; - 驗證近日點的掃面積率 \(\frac12 r_p v_p\) 等於遠日點的 \(\frac12 r_a v_a\) 。

4.2.2(真近點角 vs 偏近點角) 寫函數 true_anomaly(E, e) 由偏近點角 \(E\) 回傳真近點角 \(\theta\) (用 \(\tan\frac{\theta}{2} = \sqrt{\frac{1+e}{1-e}}\tan\frac E2\) )。對 \(e = 0.5\) 、 \(E = \pi/2\) ,用 SymPy 驗證 \(\theta > E\) ;並解釋為什麼在近日點附近,行星的角位置改變得比時間的份額快。

4.2.3(掃面積收斂) 將 4.2.5 的步長由 \(30°\) 降到 \(1°\) 、 \(0.1°\) ,列印每段面積的極差。驗證極差隨步長縮小而快速下降,並估計下降率( \(O(\Delta M)\) 或 \(O(\Delta M^2)\) )。這說明掃面積率在連續極限下確實恒定。

4.2.4(開普勒方程的牛頓法) 手寫牛頓法(不用 nsolve)解開普勒方程 \(M = E - e\sin E\) 。以 \(e = 0.9\) 、 \(M = 0.1\) (近日點附近的快速階段)為例,比較 nsolve 與你手寫的版本,並討論為什麼高離心率、小 \(M\) 的情況需要好的初始猜測。

4.2.5(歷史—代數橋樑) 取 \(\theta = 0\) (近日點)與 \(\theta = \pi\) (遠日點),代入 \(r(\theta) = \frac{a(1-e^2)}{1+e\cos\theta}\) ,用 SymPy 化簡,驗證 \(r(0) = a(1-e)\) 、 \(r(\pi) = a(1+e)\) ;並用 sp.diff 及 sp.solve 求 \(r\) 取最大值時 \(\theta\) 為何,以說明「遠日點在 \(\theta = \pi\) 」不只是直觀,而是可被代數化的命題。