天体力学的发展历史

远在公元前一、二千年，中国和其他文明古国就开始用太阳、月亮和大行星等天体的视运动来确定年、月和季节，为农业服务。随着观测精度的不断提高，观测资料的不断积累，人们开始研究这些天体的真运动，从而预报它们未来的位置和天象，更好地为农业、航海事业等服务。

历史上出现过各种太阳、月球和大行星运动的假说，但直到1543年哥白尼提出日心体系后，才有反映太阳系的真运动的模型。

开普勒根据第谷多年的行星观测资料，于1609～1619年间，提出了著名的行星运动三大定律，深刻地描述了行星运动，《天体力学》仍有重要作用。开普勒还提出著名的开普勒方程，对行星轨道要素下了定义。由此人们就可以预报行星(以及月球)更准确的位置，从而形成了理论天文学，这是天体力学的前身。

到这时，人们对天体(指太阳、月球和大行星)的真运动还仅处于描述阶段，还未能深究行星运动的力学原因。

早在中世纪末期，达·芬奇就提出了不少力学概念，人们开始认识到力的作用。伽利略在力学方面作出了巨大的贡献，使动力学初具雏形，为牛顿三定律的发现奠定了基础。

牛顿根据前人在力学、数学和天文学方面的成就，以及他自己二十多年的反复研究，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中提出了万有引力定律。他在书中还提出了著名的牛顿三大运动定律，把人们带进了动力学范畴。对天体的运动和形状的研究从此进入新的历史阶段，天体力学正式诞生。虽然牛顿未提出这个名称，仍用理论天文学表示这个领域，但牛顿实际上是天体力学的创始人。

天体力学诞生以来的近三百年历史中，按研究对象和基本研究方法的发展过程，大致可划分为三个时期：

奠基时期

自天体力学创立到十九世纪后期，是天体力学的奠基过程。天体力学在这个过程中逐步形成了自己的学科体系，称为经典天体力学。它的研究对象主要是大行星和月球，研究方法主要是经典分析方法，也就是摄动理论。牛顿和莱布尼茨既是天体力学的奠基者，同时也是近代数学和力学的奠基者，他们共同创立的微积分学，成为天体力学的数学基础。

十八世纪，由于航海事业的发展，需要更精确的月球和亮行星的位置表，于是数学家们致力于天体运动的研究，从而创立了分析力学，这就是天体力学的力学基础。这方面的主要奠基者有欧拉、达朗贝尔和拉格朗日等。其中，欧拉是第一个较完整的月球运动理论的创立者，拉格朗日是大行星运动理论的创始人。后来由拉普拉斯集其大成，他的五卷十六册巨著《天体力学》成为经典天体力学的代表作。他在1799年出版的第一卷中，首先提出了天体力学的学科名称，并描述了这个学科的研究领域。

在这部著作中，拉普拉斯对大行星和月球的运动都提出了较完整的理论，而且对周期彗星和木星的卫星也提出了相应的运动理论。同时，他还对天体形状的理论基础──流体自转时的平衡形状理论作了详细论述。

后来，勒让德、泊松、雅可比和汉密尔顿等人又进一步发展了有关的理论。1846年，根据勒威耶和亚当斯的计算，发现了海王星，这是经典天体力学的伟大成果，也是自然科学理论预见性的重要验证。此后，大行星和月球运动理论益臻完善，成为编算天文年历中各天体历表的根据。

发展时期

自十九世纪后期到二十世纪五十年代，是天体力学的发展时期。在研究对象方面，增加了太阳系内大量的小天体(小行星、彗星和卫星等)；在研究方法方面，除了继续改进分析方法外，增加了定性方法和数值方法，但它们只作为分析方法的补充。这段时期可以称为近代天体力学时期。彭加莱在1892～1899年出版的三卷本《天体力学的新方法》是这个时期的代表作。

虽然早在1801年就发现了第一号小行星(谷神星)，填补了火星和木星轨道之间的空隙。但小行星的大量发现，是在十九世纪后半叶照相方法被广泛应用到天文观测以后的事情。与此同时，彗星和卫星也被大量发现。这些小天体的轨道偏心率和倾角都较大，用行星或月球的运动理论不能得到较好结果。天体力学家们探索了一些不同于经典天体力学的方法，其中德洛内、希尔和汉森等人的分析方法，对以后的发展影响较大。

定性方法是由彭加莱和李亚普诺夫创立的，他们同时还建立了微分方程定性理论。但到二十世纪五十年代为止，这方面进展不快。

数值方法最早可追溯到高斯的工作方法。十九世纪末形成的科威耳方法和亚当斯方法，仍为天体力学的基本数值方法，但在电子计算机出现以前，应用不广。

新时期二十世纪五十年代以后，由于人造天体的出现和电子计算机的广泛应用，天体力学进入一个新时期。研究对象又增加了各种类型的人造天体，以及成员不多的恒星系统。

在研究方法中，数值方法有迅速的发展，不仅用于解决实际问题，而且还同定性方法和分析方法结合起来，进行各种理论问题的研究。定性方法和分析方法也有相应发展，以适应观测精度日益提高的要求。

天体力学的研究内容

当体力学可分为六个次级学科：摄动理论这是经典天体力学的主要内容，它是用分析方法研究各类天体的受摄运动，求出它们的坐标或轨道要素的近似摄动值。

近年，由于无线电、激光等新观测技术的应用，观测精度日益提高，观测资料数量陡增。因此，原有各类天体的运动理论急需更新。其课题有两类：一类是具体天体的摄动理论，如月球的运动理论、大行星的运动理论等；另一类是共同性的问题，即各类天体的摄动理论都要解决的关键性问题或共同性的研究方法，如摄动函数的展开问题、中间轨道和变换理论等。

数值方法

这是研究天体力学中运动方程的数值解法。主要课题是研究和改进现有的各种计算方法，研究误差的积累和传播，方法的收敛性、稳定性和计算的程序系统等。近年来，电子计算技术的迅速发展为数值方法开辟了广阔的前景。六十年代末期出现的机器推导公式，是数值方法和分析方法的结合，现已被广泛使用。

以上两个次级学科都属于定量方法，由于存在展开式收敛性以及误差累计的问题，现有各种方法还只能用来研究天体在短时间内的运动状况。

定性理论

也叫作定性方法。它并不具体求出天体的轨道，而是探讨这些轨道应有的性质，这对那些用定量方法还不能解决的天体运动和形状问题尤为重要。其中课题大致可分为三类：一类是研究天体的特殊轨道的存在性和稳定性，如周期解理论、卡姆理论等；一类是研究运动方程奇点附近的运动特性，如碰撞问题、俘获理论等；另一类是研究运动的全局图像，如运动区域、太阳系稳定性问题等。近年来，在定性理论中应用拓扑学较多，有些文献中把它叫作拓扑方法。

天文动力学

又叫作星际航行动力学。这是天体力学和星际航行学之间的边缘学科，研究星际航行中的动力学问题。在天体力学中的课题主要是人造地球卫星，月球火箭以及各种行星际探测器的运动理论等。

历史天文学

是利用摄动理论和数值方法建立各种天体历表，研究天文常数系统以及计算各种天象。

天体形状和自转理论

是牛顿开创的次级学科，主要研究各种物态的天体在自转时的平衡形状、稳定性以及自转轴的变化规律。近年来，利用空间探测技术得到了地球、月球和几个大行星的形状以及引力场方面大量数据，为进一步建立这些天体的形状和自转理论提供了丰富资料。

天体力学的发展同数学、力学、地学、星际航行学，以及天文学的其他分支学科都有相互联系。如天体力学定性理论与拓扑学、微分方程定性理论紧密联系；多体问题也是一般力学问题；天文动力学也是星际航行学的分支；引力理论、小恒星系的运动等是与天体物理学的共同问题；动力演化是与天体演化学的共同问题，以及地球自转理论是与天体测量学的共同问题等等。

托勒密

托勒密是罗马帝国时代的天文学家，他在天文学上的著作是《天文学大成》(Almagest)，也是上古时代最显要的书籍之一。托勒密显然选择了希腊前辈们，特别是喜帕恰斯(Hipparchus)，最好的天文学成就，和直接或间接来自巴比伦的天文表册结合在一起。虽然托勒密的许多工作是建立在喜帕恰斯的基础上，但有一点却是他的想法，他介绍了” equant “，并且很有效的改进了行星位置预报的准确性。虽然，他的太阳系模型不能正确的预测月球的大小(天秤动)，但是对他来说，以肉眼观测的精确度已经足够了。

刻卜勒

刻卜勒在仔细的分析了第谷的行星观测资料之後，发展出了刻卜勒行星运动定律。刻卜勒是第一个塑造出高准确度行星轨道的人，在艾萨克·牛顿发展出他的万有引力定律之前好几年之前，就依据观测的经验法则推导出了行星运动三定律。参考刻卜勒行星运动定律和刻卜勒的问题可以对他的行星运动定律有更详细的了解。

牛顿

艾萨克·牛顿因为提出了天体在天空中运行的原理而备受尊崇，他阐明了太阳、行星和月亮的运动，像炮弹和落下的苹果一样，都能用同一套的物理定律来描述，将天体和地球的力学整合在一起。

使用牛顿的万有引力定律，说明刻卜勒定律中的圆轨道是很简单的事，椭圆轨道则要加入比较复杂的计算。使用拉格朗日力学和极座标方程式，即使是抛物线或双曲线的轨道，也可以获得单一的解。这对於行星甚至彗星轨道的计算是非常有用的。到了近代，在太空船 弹道的计算上也是非常有用的。

拉普拉斯

拉普拉斯是天体力学的主要奠基人。他把牛顿的万有引力定律应用到整个太阳系，1773年解决了一个当时著名的难题：解释木星轨道为什么在不断地收缩，而同时土星的轨道又在不断地膨胀。拉普拉斯用数学方法证明行星平均运动的不变性，即行星的轨道大小只有周期性变化，并证明为偏心率和倾角的3次幂。这就是著名的拉普拉斯定理。此后他开始了太阳系稳定性问题的研究。1784～1785年，他求得天体对其外任一质点的引力分量可以用一个势函数来表示，这个势函数满足一个偏微分方程，即著名的拉普拉斯方程。1786年证明行星轨道的偏心率和倾角总保持很小和恒定，能自动调整，即摄动效应是守恒和周期性的，不会积累也不会消解。1787年发现月球的加速度同地球轨道的偏心率有关，从理论上解决了太阳系动态中观测到的最后一个反常问题。1796年他的著作《宇宙体系论》问世，书中提出了对后来有重大影响的关于行星起源的星云假说。在这部书中，他独立于康德，提出了第一个科学的太阳系起源理论——星云说。康德的星云说是从哲学角度提出的，而拉普拉斯则从数学、力学角度充实了星云说，因此，人们常常把他们两人的星云说称为“康德-拉普拉斯星云说”。他长期从事大行星运动理论和月球运动理论方面的研究，尤其是他特别注意研究太阳系天体摄动，太阳系的普遍稳定性问题以及太阳系稳定性的动力学问题。在总结前人研究的基础上取得大量重要成果，他的这些成果集中在1799～1825年出版的5卷16册巨著《天体力学》之内。在这部著作中第一次提出天体力学这一名词，是经典天体力学的代表作。因此他被誉为法国的牛顿和天体力学之父。

爱因斯坦

在爱因斯坦以相对论解释了水星近日点异常的进动之后，天文学家了解到牛顿力学的准确度依然不够。我们不仅使用一般相对论来解释双脉冲星的轨道，也尝试用它来解释和证明重力辐射的存在，那将是可以获得诺贝尔奖的发现。