“天空立法者”开普勒

“天空立法者”开普勒

开普勒是德国著名的天文学家。他发现了行星运动的三大定律，这三大定律最终使他赢得了“天空立法者”的美名。同时他对光学、数学也做出了重要的贡献，他是现代实验光学的奠基人。

开普勒的身世是不幸的，幼年体弱多病的开普勒12岁时入修道院学习。16岁被蒂宾根大学录取，20岁获硕士学位。1587年进入蒂宾根大学，在学校的生活中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林，并且在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。

开普勒曾说：“当我在杰出的麦斯特林的指导下开始研究天文学时，看到了旧宇宙理论的许多错误。我非常喜欢教授经常提到的哥白尼，在与同学们辩论时我总是坚持他的观点。”

1594年，奥地利的格拉茨新教高级中学的数学教师去世了，这时，要求图宾根大学给选派一名后继者。此时开普勒的神学课程仅有一年就读完了，但是校方觉得他作教士还不够虔诚，于是就推荐他去了格拉茨。

这时，开普勒的朋友也劝他放弃神学。同年他到了格拉茨中学担任数学、天文的老师期间，潜心天文探索。并在1596年出版了《宇宙的神秘》一书。

开普勒《宇宙的神秘》一书中明确：他主张哥白尼体系，同时也因袭了毕达哥拉斯和柏拉图用数来解释宇宙构造的神秘主义理论。他在序言中指出：“我企图去证明上帝在创造宇宙并且调节宇宙的次序时，看到了从毕达哥拉斯和柏拉图时代起就为人们所熟知的五种正多面体，上帝按照这形体安排了天体的数目、它们的比例和它们运动间的关系。”

开普勒认为土星、木星、火星、地球、金星和水星的轨道分别是在大小不同的六个球面上，六个球依次套切成正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体，太阳位于中心。

这种假设看似荒唐得很，但却激发了开普勒去进一步去寻找正确的宇宙构造理论。与此同时，他还把这本书分寄给了一些科学名人。此书受到天文学家第谷的赏识，十分佩服开普勒的数学知识和创造天才。

那时，由于反宗教改革运动，使格拉茨中学重新回到天主教，新教徒的师生全被赶出了校门。开普勒这位新教徒却因名声显赫而被破例重新聘请回来。但是当他看到自己的学生都散去，就不愿意再回到格拉茨，移居到了布拉格，应邀为第谷做助手。

后来第谷逝世后，开普勒花了很长时间对第谷遗留下来的观测资料进行分析，分析火星的公转时他得出，无论按哥白尼的方法还是按托勒密或第谷的方法，算出的轨道都不能同第谷的观测资料相吻合，他坚信观测的结果。

于是，开普勒想到火星有可能不是作当时人们认为的匀速圆周运动，他又改用各种不同的几何曲线来表示火星的运动轨迹，终于发现了“火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于焦点之一的位置”这一定律。

接下来开普勒又发现火星运行的速度是不均匀的，在近日点时快些，远日点时慢些，但是，无论从哪一点开始，在单位时间内，向径扫过的面积却是固定的。因此，他就得出了关于行星运动的第二条定律：“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”

后来又经过长期繁复的计算研究，开普勒终于发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方”这一结论。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石，并导致数十年后万有引力定律的发现。

开普勒的视力不佳，但还是坚持着观测的工作。1604年9月30日在蛇夫座附近出现一颗新星，最亮的时刻比木星还要亮。开普勒对这颗新星进行了17个月的观测并发表了观测的结果。历史上称它为开普勒新星。这是一颗银河系内的超新星。1607年，他观测了一颗大彗星，也就是后来大家所熟知的哈雷彗星。

当时的人们都认为行星是作匀速圆周运动的。但开普勒发现，对火星的轨道来说，按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三种不同方法，都不能推算出同第谷的观测相吻合的结果，于是他放弃了火星作匀速圆周运动的观念，并试图用别的几何图形来解释，经过四年的苦思冥想。

在1609年时，开普勒发现椭圆形完全适合这里的要求，能做出同样准确的解释，于是得出了“开普勒第一定律”：火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。

发现第一定律，就是说行星沿椭圆轨道运动，要有摆脱传统观念的智慧和毅力，在此之前的所有天文学家都坚持古希腊亚里士多德和毕达哥拉斯的天体是完美的物体，圆是完美的形状，一切天体运动都是圆周运动的结论。

哥白尼知道几个圆并起来可以产生椭圆，但他从来没有用椭圆形来描述天体的轨道。当时由于第谷观测的精确和开普勒的努力，终使日心说向前推进了一大步。

接着开普勒又发现火星运行速度是不匀的，当它离太阳较近时运动得较快，离太阳远时运动得较慢，但从任何一点开始，向径在相等的时间所扫过的面积相等。这就是开普勒第二定律。

这两条定律刊布在1609年出版的《新天文学》中，该书还指出两定律同样适用于其他行星和月球的运动。

1612年，开普勒接受了奥地利的林茨当局的聘请，去作数学教师和地图编制工作。在这里他继续探索各行星轨道之间的几何关系，经过长期繁杂的计算和无数次失败，最后创立了行星运动的第三定律，即行星绕太阳一周的时间的平方，等于椭圆长轴一半的立方。

这一结果表述在1619年出版的《宇宙谐和论》中。开普勒的发现为人类科学事业的发展做出了巨大的贡献，被誉为“天空的立法者”。

1630年，开普勒在雷根斯堡于贫病之中去世。他被葬于拉提斯本的圣彼得教堂，三十年战争的狂潮荡平了他的坟墓，但是已证明他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为久伫长存的纪念碑。