约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler,1571—1630),德国天文学家、数学家,17世纪科学革命的关键人物,开普勒定律的发现者。
很多人都知道开普勒是17世纪杰出的天文学家,他最著名的工作是发现了行星运动的三大定律,还有人知道开普勒的工作对牛顿后来提出万有引力定律有重要的启发作用。但只有很少的人知道,开普勒的工作主要是在第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546—1601)二十多年观测所得的详细资料基础上的。
第谷·布拉赫出身于丹麦一个贵族家庭,虽然家族希望他学习法律,他却狂热地喜爱天文学。1563年,17岁的第谷曾说:“我研究过所有现有星表,但它们中没有一个和另一个相同。用来测量天体的方法好比天文家一般多,而且那些天文家都一一反对。现在所需要的是一个长期的,从一个地点来测量的计划,来测量整个天球。”经过多年刻苦学习,他在天文学上达到很高造诣。1576年,丹麦国王弗雷德里克二世给予他汶岛(Island of Hven)的管辖权,并资助他在那里建造了一个天文台。此后20多年,他不断制作和改进观测仪器,和助手们长期不懈地进行精细的天文观测,获得了前所未有的精确、可靠、完整的观测资料。
长久以来,托勒密的地心说在天文学中占据着统治地位。1543年,哥白尼发表了《天体运行论》,提出了著名的日心说。由于这个理论并不符合人们的感觉经验,又与教会认可的地心说强烈冲突,所以在很长时间里受到各方势力的压制。第谷的天文学观念比较保守,但以他精深的天文学造诣还是能看到哥白尼体系的优越之处。为了调和两大体系的矛盾,他于1588年提出了一个折中的宇宙体系:地球静止地处于宇宙中心,太阳和月球绕地球运转,太阳系中其他天体绕太阳运转,最外面是恒星所在的空间外壳。这个体系很快取代托勒密体系而广为流行。它虽然仍是一个地心说体系,但在几何上与哥白尼体系等价,在一定程度上为日心说的普及做了准备。
1588年弗雷德里克二世去世后,宫廷停止了对第谷的资助。在艰难维持了9年之后,第谷于1597年离开了汶岛。1599年,第谷应德皇鲁道夫二世的邀请到布拉格,在其资助下建成了一座天文台。
1596年,25岁的开普勒出版了《宇宙的奥秘》一书,其中不仅接受了日心说,并且以五种正多面体层层嵌套的方式解释地球和其他五大行星围绕太阳的公转轨道。不久他将这本书送给第谷。第谷对作者表现出来的数学才能颇为赏识,邀请他来汶岛访问,开普勒因故未能成行。1600年,第谷在位于布拉格附近的新天文台再次向开普勒发出邀请,1600年2月开普勒前往访问并在那里做了几个月的研究,最终于1600年10月受邀成为第谷的助手。1601年10月24日第谷逝世。在最后日子里,第谷将自己生平积累的观测资料赠给了开普勒并指定他为自己的继承人。
开普勒最初的工作极不成熟而又充满神秘色彩。在到达第谷的天文台之后,他首先致力于对火星轨道的研究,因为除了离太阳最近而难以观测的水星之外,火星轨道最不接近正圆,难以用传统的圆周运动来解释。这项艰苦的研究持续了好几年,开普勒说,它有三项基础:哥白尼的日心说,第谷无可比拟的观测记录,以及英国人吉尔伯特(William Gilbert,1544—1603)的磁学。其中,第谷完整而精确的行星观测记录不仅对确定火星轨道起了至关重要的作用,还引导开普勒进一步发现一般的行星运动规律:1602年他发现了行星运动的第二定律—行星在同样的时间内扫过同样的面积;1605年又得到第一定律—行星轨道是椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。1609年开普勒出版《新天文学》,其中包括了这两个定律,1619年出版的《宇宙和谐》则提出了第三定律:绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星,其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。
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