「外国名人故事:天文学家篇」开普勒

开普勒简介:

约翰尼斯·开普勒于1571年出生在德国的威尔德斯达特镇,父亲是符腾堡的一个陆军军官,母亲是旅馆主人的女儿。开普勒就读于蒂宾根大学,1588年获得学士学位,三年后获得硕士学位。

「外国名人故事:天文学家篇」开普勒插图

开普勒在蒂宾根大学学习期间,他听到哥白尼对日心学说所做的合乎逻辑的阐述,很快就相信了这一学说。

开普勒家开了一片小客栈,由于经济困难,他不得不帮助父亲在店里打杂。在开普勒的再三央求下,父亲才先后送他进入日耳曼语学校和拉丁语学校学习。开普勒智力过人,又勤奋刻苦,所以学习成绩总是名列前茅。

1589年,开普勒考入杜宾根大学,攻读神学、哲学和数学,因为受到赞同哥白尼学说的天文学教授歇尔·马斯特林的影响,他的兴趣转向天文学,成为哥白尼学说的坚定拥护者。与其他多数德国学者一样,开普勒一生命运多舛。由于信仰新教,他被赶出了奥地利,逃往巴伐利亚。尽管他当上了皇帝的星相家,其他诸侯也经常求教于他,但这位天文学的骄子却一直生活在拮据之中。

据他自己说,他在担任星相家期间从未领到过工资,在这种情形下还要赡养年迈的母亲。由此可以想象其生活的艰辛。他的三大定律是在流亡的旅程中发现的。然而,就是这样,他依然执着地爱着德国,流露出对祖国的深深眷恋之情,拒绝到英国或意大利去。他曾说过:“只要德国不嫌弃我,我将永远忠于德国。我生为德国人,在德国长大,我只希望在有德意志风俗,充满自由思想的王国中生活。”

开普勒将德国人对音乐的超凡感受力溶进了他的天文学研究中。他引用柏拉图的话说,上帝就是几何学,但又不仅仅以几何学来表现自己。上帝使行星形成一个充满生机的实体,以几何形式建立一个和谐的世界,并以听得见的音乐形式表现一切基本事物。他号召音乐家追随自己,因为音乐家最懂得和谐。关于行星的运动方式,开普勒在论述数学的篇章中是以这样的一句话开始的:“现在,天王星啊,我们需要更丰富的音调!”

在蒂宾根大学毕业后,开普勒在格拉茨研究院当了几年教授。在此期间完成了他的第一部天文学著作(1596年)。虽然开普勒在该书中提出的学说完全错误,但却从中非常清楚地显露出他的数学才能和富有创见性的思想,于是伟大的天文学家第谷·布拉赫邀请他去布拉格附近的天文台给自己当助手。开普勒接受了这一邀请,1600年1月加入了第谷的行列。第谷翌年去世。开普勒在这几个月来给人留下了非常美好的印象,不久圣罗马皇帝鲁道夫就委任他为接替第谷的皇家数学家。开普勒在余生一直就任此职。

作为第谷·布拉赫的接班人,开普勒认真地研究了第谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录。第谷是望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家,也是世界上前所未有的最仔细、最准确的观察家,因此他的记录具有十分重大的价值。开普勒认为通过对第谷的记录做仔细的数学分析可以确定哪个行星运动学说是正确的:哥白尼日心说,古老的托勒密地心说,或许是第谷本人提出的第三种学说。但是经过多年煞费苦心的数学计算,开普勒发现第谷的观察与这种三学说都不符合,他的希望破灭了。

最终开普勒认识到了所存在的问题:他与第谷、拉格茨·哥白尼以及所有的经典天文学家一样,都假定行星轨道是由圆或复合圆组成的。但是实际上行星轨道不是圆形而是椭圆形。

他在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律。行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转,而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快,行星的速度以这样的方式变化:行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律:行星距离太阳越远,它的运转周期越长;运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。

开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述,解决了天文学的一个基本问题。这个问题的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解。当时开普勒没能说明按其规律在轨道上运行的原因,到17世纪后期才由艾萨克·牛顿阐明清楚。牛顿曾说过:“如果说我比别人看得远些的话,是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是他所指的巨人之一。

开普勒对天文学的贡献几乎可以和哥白尼相媲美。事实上从某些方面来看,开普勒的成就甚至给人留下了更深刻的印象。他更富于创新精神。他所面临的数学困难相当巨大。数学在当时远不如今天这样发达,没有计算机来减轻开普勒的计算负担。

但是经过几十年的历程,开普勒定律的意义在科学界逐渐明朗起来。实际上在17世纪晚期,有一个支持牛顿学说的主要论点认为开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来,反过来说只要有牛顿运动定律,也能从开普勒定律中精确地推导出牛顿引力定律。但是这需要更先进的数学技术,而在开普勒时代则没有这样的技术,就是在技术落后的情况下,开普勒也能以其敏锐的洞察力判断出行星运动受来自太阳的引力的控制。

从开普勒取得的成果的重要性来看,令人感到惊奇的是他的成果起初差一点被忽略,甚至差点被伽利略这样如此伟大的科学家所忽略(伽利略对开普勒定律的忽视特别令人感到惊奇,因为他俩之间有书信往来,而且开普勒的成果会有助于伽利略驳斥托勒密学说)。如果说其他人迟迟不能赏识开普勒成果的重大意义的话,他本人是会谅解这一点的。他在一次抑制不住巨大喜悦时写道:“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿。它不是会被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到──这是无所谓的事。它也许需要足足等上一百年才会有一个读者,正如上帝等了6000年才有一个人理解他的作品。”

当时德国开始陷入“三十年战争”的大混乱之中,很少有人能躲进世外桃源。

他遇到的一个问题是领取薪水。圣罗马皇帝即使在较兴隆的时期都是怏怏不乐地支付薪水。在战乱时期,开普勒的薪水被一拖再拖,得不到及时的支付。开普勒结过两次婚,有十二个孩子,这样的经济困难的确很严重。另一个问题是他的母亲在1620年由于行巫术而被捕。开普勒花费了大量的时间设法使母亲在不受拷打的情况下获得释放,他终于达到了目的。

开普勒于1630年在巴伐利亚州雷根斯堡市去世。他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为有意义的纪念碑。

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