【約翰尼斯·開普勒】德國天文學家_人物百科

開普勒是一位德國天文學家，也是第一個完全解釋太陽系行星運動的人，開普勒發現了行星運動的三大定律，分別是軌道定律、面積定律和周期定律。這三大定律可分別描述為：所有行星分別是在大小不同的橢圓軌道上運行；在同樣的時間里行星向徑在軌道平面上所掃過的面積相等；行星公轉周期的平方與它同太陽距離的立方成正比。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。同時他對光學、數學也做出了重要的貢獻，他是現代實驗光學的奠基人。

主要經歷

天才少年

開普勒學業成績優異。1588年9月25日，他獲得文學學士學位。1591年8月11日，他又通過了文學碩士學位考試。這時他想當一名路德教的牧師，所以又留校學習神學。

在大學里，開普勒深受秘密傳播哥白尼學說的天文教授麥斯特林的影響。后來他回憶說：“當我在杰出的麥斯特林的指導下開始研究天文學時，看到了舊的宇宙理論的許多錯誤。我非常喜歡教授經常提到的哥白尼，在與同學們辯論時我總是堅持他的觀點。”開普勒對天文學和數學有著濃厚的興趣。

1594年，奧地利的格拉茨新教高級中學的數學教師死了，要求圖賓根大學給選派一名后繼者。此時開普勒的神學課程僅有一年就讀完了，但校方認為他作教士不夠虔誠，就極力推薦他去格拉茨。他的朋友也勸他放棄神學。同年開普勒到了格拉茨中學教數學、天文，后來又教古典文學、修辭學和道德學。

1596年開普勒在宇宙論方面發表了第一本重要的著作：《宇宙的神秘》。在其中他明確主張哥白尼體系，同時也因襲了畢達哥拉斯和柏拉圖用數來解釋宇宙構造的神秘主義理論。他在序言中指出：“我企圖去證明上帝在創造宇宙并且調節宇宙的次序時，看到了從畢達哥拉斯和柏拉圖時代起就為人們所熟知的五種正多面體，上帝按照這形體安排了天體的數目、它們的比例和它們運動間的關系。”他認為土星、木星、火星、地球、金星和水星的軌道分別在大小不等的六個球的球面上，六球依次套切成正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體和正二十面體，太陽居中心。這種假設盡管荒唐，但卻促使開普勒去進一步尋找正確的宇宙構造理論。他把這本書分寄給了一些科學名人。丹麥天文學家第谷·布拉赫雖不同意書中的日心說，卻十分佩服開普勒的數學知識和創造天才。伽利略也把他引為探索真理的同仁。

由于反宗教改革運動，使格拉茨中學重新回到天主教的懷抱，新教徒的師生全被趕出了校門。開普勒這位新教徒卻因名聲顯赫而被破例復聘。他看到自己的學生盡數散去，不愿再回格拉茨，就接受了第谷的邀請，于1600年來到布拉格郊外的天文臺，作第谷的助手。第谷是望遠鏡發明以前的最后一位偉大的天文學家，也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察家。他當時充任神圣羅馬帝國的皇室數學家，隨皇帝魯道夫二世住在布拉格。他的宇宙理論是托勒密體系和哥白尼體系的混合，他認為行星繞太陽旋轉，太陽又率群星圍地球運行。但是第谷對天體方位進行了幾十年的觀測，積累了大量的精確材料，開普勒在天文學上的偉大發現，就是通過歸納分析這些材料得出的。

占星家

1601年第谷去世，開普勒繼任為皇帝魯道夫二世的御用數學家。給他的俸祿只有第谷的一半，且常常拖欠。他對第谷的遺著作了整理，1602年出版了第谷的《新天文學》六卷，1603年印行了第谷的《釋彗星》。

1601年開普勒出版了《天文學更可靠的基礎》一書，不同意星體決定人的命運的觀點，對占星術持懷疑態度：“如果星相家有時講對了，那應歸功于運氣。”但他仍沒擺脫宇宙的神秘和諧理論。除教數學外，他的一個主要任務就是替皇帝占星算命，這也是他終身從事的職業。在他的遺稿中保存了800多張占星圖。他雖不相信這一偽科學，但為了謀生只得如此。

立法者

1604年9月30日，開普勒在巨蛇星座附近發現了一顆新星（現知是銀河系內的一顆超新星）。他雖視力不佳，仍持續觀測了十幾個月。他把觀測結果發表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一書中，打破了星座無變化的傳統說法。這一年他看到了一顆大彗星，即后來定名的哈雷彗星。

當時不論是地心說還是日心說，都認為行星作勻速圓周運動。但開普勒發現，對火星的軌道來說，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法，都不能推算出同第谷的觀測相吻合的結果，于是他放棄了火星作勻速圓周運動的觀念，并試圖用別的幾何圖形來解釋，經過四年的苦思冥想，也就是到了1609年他發現橢圓形完全適合這里的要求，能做出同樣準確的解釋，于是得出了“開普勒第一定律”：火星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽處于兩焦點之一的位置。發現第一定律，就是說行星沿橢圓軌道運動，需有擺脫傳統觀念的智慧和毅力，在此之前所有天文學家，包括哥白尼和伽利略在內都堅持古希臘亞里士多德和畢達哥拉斯的天體是完美的物體，圓是完美的形狀，一切天體運動都是圓周運動的成見。哥白尼知道幾個圓并起來可以產生橢圓，但他從來沒有用橢圓形來描述天體的軌道。當時由于第谷觀測的精確和開普勒的努力，終使日心說向前推進了一大步。接著開普勒又發現火星運行速度是不勻的，當它離太陽較近時運動得較快（近日點），離太陽遠時運動得較慢（遠日點），但從任何一點開始，向徑（太陽中心到行星中心的連線）在相等的時間所掃過的面積相等。這就是開普勒第二定律（面積定律）。這兩條定律刊布在1609年出版的《新天文學》（又名《論火星的運動》）中，該書還指出兩定律同樣適用于其他行星和月球的運動。

1611年，開普勒的保護人魯道夫被其弟逼迫退位，他仍被新皇帝留任。他不忍與故主分別，繼續隨侍左右。1612年魯道夫卒，開普勒接受了奧地利的林茨當局的聘請，去作數學教師和地圖編制工作。在這里他繼續探索各行星軌道之間的幾何關系，經過長期繁雜的計算和無數次失敗，最后創立了行星運動的第三定律（諧和定律）：行星繞太陽公轉運動的周期的平方與它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比。這一結果表述在1619年出版的《宇宙諧和論》中。

多難人生

開普勒的身世是不幸的。他17歲時父親去世。1620年，他母親，一個酒館老板的女兒，平時愛吵吵鬧鬧，因被指控犯有巫術罪而入獄，他經一年多的奔波才使其得到無罪釋放。開普勒26歲時與一個出身名門的寡婦結婚，舉止傲慢的妻子使他很少感到家庭溫暖。1613年在前妻死后他又選擇了一個貧家女為伴，感情雖很融洽，無奈經濟上常處于絕望境地。他兩個妻子共生有12個小孩，大多在貧困中夭折。他作為新教徒常受到天主教會的迫害，他的一些著作被教皇列為禁書。

經濟困苦和操勞跋涉嚴重損害了開普勒的健康。皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期，開普勒的薪水被一拖再拖，得不到及時的支付。

1630年他有幾個月未得薪俸，不得不親自前往正在舉行帝國會議的雷根斯堡索取。到達那里后他突然發熱，幾天以后即11月15日，在貧病交困中寂然死去，終年59歲。他被葬于拉提斯本的圣彼得教堂，三十年戰爭的狂潮蕩平了他的墳墓，但是也已證明他的行星運動定律是一座比任何石碑都更為久佇長存的紀念碑。

主要作品

《宇宙的奧秘》（Mysterium cosmographicum）（1596）

《天文學的光學需知》（Astronomiae Pars Optica）（1604）

《蛇夫座腳部的新星》（De Stella Nova in Pede Serpentarii）（1606）

《新天文學》（Astronomia nova）（1609）

《折光學》（Dioptrice）（1611）

《世界的和諧》（Harmonices Mundi）（1618）

《哥白尼天文學概要》（Epitome astronomiae Copernicanae）（1618-1621）

《魯道夫星表》（Tabulae Rudolphinae）（1627）

貢獻影響

天文研究

在圖賓根大學畢業后，開普勒在格拉茨研究院當了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學著作（1596年）。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤，但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想，于是偉大的天文學家第谷·布拉赫邀請他去布拉格附近的天文臺給自己當助手。開普勒接受了這一邀請，1600年1月加入了第谷的行列。第谷翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象，不久圣羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替泰修的皇家數學家。開普勒在余生一直就任此職。

作為第谷·布拉赫的接班人，開普勒認真地研究了第谷多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。第谷是望遠鏡發明以前的最后一位偉大的天文學家，也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察家，因此他的記錄具有十分重大的價值。開普勒認為通過對第谷的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說是正確的：哥白尼日心說，古老的托勒密地心說，或許是第谷本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算，開普勒發現第谷的觀察與這種三學說都不符合，他的希望破滅了。

他在1609年發表的偉大著作《新天文學》中提出了他的前兩個行星運動定律。行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉，而太陽位于這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快，行星的速度以這樣的方式變化：行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的面積相等。十年后開普勒發表了他的行星運動第三定律：行星距離太陽越遠，它的運轉周期越長；運轉周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。

開普勒定律對行星繞太陽運動做了一個基本完整、正確的描述，解決了天文學的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至像哥白尼、伽利略這樣的天才都感到迷惑不解。當時開普勒沒能說明按其規律在軌道上運行的原因，到17世紀后期才由艾薩克·牛頓闡明清楚。牛頓曾說過：“如果說我比別人看得遠些的話，是因為我站在巨人的肩膀上。”開普勒無疑是他所指的巨人之一。

光學研究

開普勒也是近代光學的奠基者，他研究了針孔成像，并從幾何光學的角度加以解釋，并指出光的強度和光源的距離的平方成反比。開普勒也研究過光的折射問題，1611年發表了《折光學》一書，最早提出了光線和光束的表示法，并闡述了近代望遠鏡理論，他把伽利略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡，這種望遠鏡被稱為開普勒望遠鏡。

開普勒也研究過人的視覺，認為人看見物體是因為物體所發出的光通過眼睛的水晶體投射在視網膜上，闡明了產生近視和遠視的成因。開普勒還發現大氣折射的近似定律，最先認為大氣有重量，并且說明了月全食時月亮呈紅色是由于一部分太陽光被地球大氣折射后投射到月亮上而造成的。1630年11月，開普勒在雷根斯堡發高熱，幾天后在貧病中去世，葬于當地的一家小教堂。他為自己撰寫的墓志銘是：“我曾測量天空，現在測量幽冥。靈魂飛向天國，肉體安息土中。”

其他貢獻

開普勒在物理學特別是光學領域作出了杰出貢獻。1604年他的《對威蒂略的補充，天文光學說明》一書問世。威蒂略（1220—1270）是中世紀著名的波蘭物理學家，著有《物理學》、《光學》等書，闡述了文藝復興以前最重要的光學理論。開普勒在此基礎上又作了發展，他描述了人的視覺的形成過程，揭示了視網膜的作用，指明了近視和遠視的原因。雖然早在1299年佛羅倫薩的阿瑪蒂就發明了矯正視力的眼鏡，但直到開普勒才解釋了這些彎曲的小玻璃片的作用。他對視覺的分析，給了解眼器官的結構和機能打下了基礎。

1609年開普勒發表了《天文學中的光學》一書。同年伽利略發明了一架折射望遠鏡。伽利略望遠鏡由一塊凸鏡作物鏡和一塊凹鏡作目鏡組成，它成正像，但出射光瞳在目鏡與物鏡之間，視場小且不易安裝瞄準叉絲，在天文觀測中用途不大。開普勒深入研究并闡釋了望遠鏡的原理，對折射望遠鏡作了重大改進，設計了開普勒望遠鏡。他以凸透鏡作目鏡，使出射光瞳在目鏡外面，能獲得較大視場，也可方便地安置瞄準叉絲。1613年制造出第一架開普勒望遠鏡，至十七世紀中葉已為天文學家普遍采用。開普勒關于望遠鏡的理論，寫在1611年出版的《光學》一書中。

開普勒在說明望遠鏡原理時，看到光從已知光源以球面輻射出來，直覺地提出了光度隨距離減弱的平方的反比律，他覺得介質的折射力與介質的密度成正比，但是英國數學家哈略特向他指出，油比水的折射力大，但是油比水的密度小。正確的光的折射律是由萊頓的一位數學教授威里布里德·斯涅耳（1591—1626）于公元1621年發現的。

開普勒最先認為大氣有重量，并正確解釋了月全食時月亮呈紅色是因太陽光經過大氣折射后投射到上面而造成的。他首先把潮汐同月球的活動聯系起來，第一次宣布地球以外的行星也是物質的、不完美的。這是一個了不起的發現，但不知什么原因，他的朋友伽利略卻不接受他關于潮汐的理論。

1611年開普勒即興寫了一本未完成的書：《六角形的雪》。通過對六角的雪的觀察使他得出了對稱的觀念，并推想到雪是由許多球體緊密堆積而成。這本書可視為晶體學的發軔。

開普勒在幾何學中也有獨到的建樹。1615年他發表了《葡萄酒桶的立體幾何》，這本書被稱為人類創造球面、體積新方法的靈感源泉。在這本書中，開普勒用無窮大和無窮小的概念來代替古老而煩瑣的窮竭法，他設想一個由無數個三角形構成的圓，其中每個三角形的頂點都處在圓心，圓周是由它們無窮小的底邊構成。同樣，圓錐體可以看成是由大量具有共同頂點的棱錐體所構成，圓柱體是由大量棱柱體所構成，這些棱柱體的底邊構成圓柱體的底邊，它們的高就是圓柱體的高。開普勒采用這些觀念得出了一些古人辛辛苦苦極難得到的結果。他的方法中雖缺少關于極限的明確概念，和有效的求和方法，但可導致正確的結果，他的方法給數學家開辟了一個廣闊的思考園地。

偉大遺產

開普勒是近代自然科學的開創者之一。在天文學方面如果沒有他，日心說的命運當時將是不確定的。他的三大定律奠定了經典天文學的基石，為牛頓數十年后發現萬有引力定律鋪平了道路。他在科學研究中一貫堅持尊重事實的嚴肅態度，當他發現設想與事實不符時，就毫不猶豫地拋棄了它們。但他畢竟是中世紀與近代交替時期的人物，思想上必然帶有時代的局限性。

開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方面來看，開普勒的成就甚至給人留下了更深刻的印象。他更富于創新精神。他所面臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達，沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。

從開普勒取得的成果的重要性來看，令人感到驚奇的是他的成果起初差一點被忽略，甚至差點被伽利略這樣如此偉大的科學家所忽略（伽利略對開普勒定律的忽視特別令人感到驚奇，因為他倆之間有書信往來，而且開普勒的成果會有助于伽利略駁斥托勒密學說）。如果說其他人遲遲不能賞識開普勒成果的重大意義的話，他本人是會諒解這一點的。他在一次抑制不住巨大喜悅時寫道：“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的書已經完稿。它不是會被我的同時代人讀到就會被我的子孫后代讀到──這是無所謂的事。它也許需要足足等上一百年才會有一個讀者，正如上帝等了6000年才有一個人理解他的作品。”

但是經過幾十年的歷程，開普勒定律的意義在科學界逐漸明朗起來。實際上在17世紀晚期，有一個支持牛頓學說的主要論點認為開普勒定律可以從牛頓學說中推導出來，反過來說只要有牛頓運動定律，也能從開普勒定律中精確地推導出牛頓引力定律。但是這需要更先進的數學技術，而在開普勒時代則沒有這樣的技術、就是在技術落后的情況下，開普勒也能以其敏銳的洞察力判斷出行星運動受來自太陽的引力的控制。