约翰内斯·开普勒—

约翰内斯·开普勒1571—1630

玄秘的天文学家

如我们今天所知，1572年的一个夜晚，天空中曾出现一颗巨大的超新星，对于当时的人们来讲，一颗新的星辰在天空出现后又随即消失了。科学家们对此展开了讨论，有人说那真的是一颗新星，也有人说那是月下体系中较近的一种天体现象。如果是一颗新星的话，就意味着恒星系不见得就像古代天文学说和托勒密宇宙学说让人们相信的那样是“永恒”的，哥白尼描述的不就是另外一种世界体系吗？在这之前，天文学家们已为“不是一切都围着地球转”这样一个宇宙观争吵了30年。而对这一新的宇宙观的确立做出决定性贡献的开普勒当时才刚刚来到这个世界。

■约翰内斯·开普勒。木版画，1881年

开普勒从小就才华出众，但能成为一名天文学家，主要归功于他在图宾根大学的老师米夏埃多·梅斯特林，是他将开普勒引入了哥白尼的宇宙体系。从此，开普勒成了哥白尼体系的追随者，而且还改进了哥白尼的体系，因为哥白尼的宇宙体系也没有完全与古代宇宙观彻底决裂，哥白尼虽然将地球看作是太阳的卫星，但同时又赋予地球在行星中的特殊地位，没有从根本上动摇人们对恒星系的看法。当时大部分天文学家都拒绝接受哥白尼的学说，其中最著名的要数第谷·布拉赫。第谷在16世纪后半叶居住在布拉格，他是最后一个不用望远镜进行天文研究的科学家，是一位杰出的天文观察家和数学家，他所积累的数据和研究成果的价值远远超出了他的前辈。第谷很清楚地看到了地心体系的缺陷，但没有极端地从地心体系发展到日心体系，他提出了自己的天文体系，对许多古代天文学家的学说提出了质疑。第谷的天文体系虽然还是认为太阳围着地球转，但他同时也认为，太阳是所有其他行星旋转的轨道中心。

书信往来

伽利略·伽利莱和约翰内斯·开普勒属于同一时代的科学家，他们都热衷于天文学研究，两人常通过书信往来交流各自的研究成果，但伽利略从他那位德国同事那儿得到的书信要少得多，因为伽利略不太了解开普勒的神秘主义。两位科学家都认为数学是自然科学研究的最基本语言。伽利略曾说过这样的话：“人们只有掌握了自然科学的语言和符号才能读懂自然之书， 自然科学的语言是数学， 自然科学的符号是三角、圆和其他几何图形。“开普勒也曾表达过同样的意思：“几何是世界之美的原型。”

■开普勒用来证明六大行星存在的行星轨道模型。开普勒论文《宇宙的神密》中的插图，1596年

年轻有为的开普勒是第谷晚年的助手，1610年第谷去世后，开普勒继承了第谷收集的所有天文记载和计算资料（如果按照第谷家属的愿望，别人可能要付出几千塔勒银币才能获得这些珍贵的资料）。得到这笔宝贵的遗产后，开普勒开始尝试将第谷在几千页资料上记载的天文观察结果和计算数据与哥白尼宇宙体系相联系，但他怎么也无法将两者结合起来。他很快就找到了原因：行星不在正圆轨道上运动，而在以太阳为焦点之一的椭圆的轨道上运动。这一后来被称为开普勒第一定律的发现对当时无人质疑的行星匀速运动定律造成了巨大的冲击：行星的环绕速度可能是不均匀的。在正圆形轨道上，行星以相同的时间走完相同的距离，在椭圆形轨道上就不同了，行星的运行速度时快时慢。于是，开普勒又借助第谷的资料准确地计算出了行星运行的速度，得出了开普勒第二定律：行星在环绕时与太阳之间的连线在相等时间内扫过的面积相同。今天，任何一个物理学学生都可以用数学方法根据牛顿的万有引力定律推导出这一结果，但开普勒却要用无数轨道数据和巨大的计算量才能推算出来。

■皇家天文学家第谷·布拉赫正在观察于1572年突然出现在天空的新星。开普勒在布拉格成为第谷的助手并在其去世后继承了他的全部天文资料。木版画，1572年

开普勒把第一次论述这一重大发现的论文取名为《新天文学》真是名副其实。开普勒的《新天文学》实际上只采纳了哥白尼“太阳是行星系的中心”的观点，以前在每次新的天文观察后都要进行更新的本轮和均轮的繁杂纷乱的计算被这两个简洁的数学定律所取代，因此，开普勒的发现无愧于“新天文学”的称号。

开普勒的研究工作就现代含义上来讲也是相当严谨的，但尽管如此他还是无法完全摆脱神权的思想。比如他把行星看作是有心灵的生物，他的这一观点与炼金术士们的观点不谋而合。1619年，他发表了《宇宙和谐论》一书，对他的世界观作出了阐述，作为一名虔诚的信徒，他把从事天文学研究看作是为上帝的一种服务，了解自然对于他来讲就是更好地认识造物主。但所有这一切并不妨碍他与传统观念的决裂，相反，他更愿意接受太阳是宇宙中心的观点，因为他认为太阳是“唯一因其高贵和力量可以成为上帝所在的天体”。开普勒将日心说体系看作是圣父、圣子和圣灵组成的三位一体，圣父是中央的太阳，圣子是外围的恒星和创世说中的水，圣灵则是天空中的气和充实万物的太空，他甚至把由他的定律作出精确描述的行星运行轨道看作是全能的造物主以简单的数字所表示的意志。开普勒重新拾起了柏拉图和毕达哥拉斯的神秘主义思想，认为天体反映了弦乐器和谐的数字关系，并以六大行星的存在来证明他的这一观点。

■开普勒的神秘宗教观也反映在他的行星模型中，他制作的行星模型展现了上帝创造天体的蓝图。匈牙利邮票

六大行星的证明

开普勒在证明六大行星时借助了正统的柏拉图物质学说。“地球轨道半径所对应的球体是所有其他球体的标尺。在地球球体的周围外切一个正十二面体，与这个正十二面体外接的球体属于火星；在火星球体的周围外切一个正四面体，与正四面体外接的球体属于木星；在木星球体的周围外切一个正方体，与这个正方体外接的球体属于土星；在地球球体的里面内接一个二十面体，与这个二十面体内切的球体属于金星；在金星的球体里内接正八面体，与这个正八面体内切的球体属于水星了。你看，六大行星的轨道半径就这样出来了。”不可思议的是，根据现代人觉得荒诞的方法确定的六大行星轨道之间的距离竟非常的精确。但无论如何这位玄秘的科学家还是没有料事如神，因为今天我们知道，太阳系中远不止这六大行星。

除了对天文研究的贡献以外，开普勒在其他领域也成果卓著。作为宗教改革的积极追随者，开普勒在30年宗教战争中受到了种种宗教迫害，母亲被诬陷为巫师，他不得不为其洗清莫须有的罪名。在雇主经常欠薪的情况下，他还要养活两次婚姻给他带来的17个孩子，所以，开普勒五十九岁时在一次劳顿的旅途后晕厥而死也就不足为怪了。

■约翰内斯·开普勒与皇帝鲁道夫二世在布拉格。第谷去世后开普勒成了皇家天文学家，从而为他的天文学研究获得了充足的时间和良好的条件。根据约瑟夫，马蒂亚斯·冯·特莱克华特（1823—1897）的画制作的木版画，1862年

开普勒望远镜

开普勒自幼就损坏视力，没能成为一位天文观测家，他是“借助别人的眼睛“作出自己的科学发现。可是他在光学理论和光学仪器研究方面却作过重大贡献，开普勒（比伽利略稍晚些）设计出一种新型望远镜，他把伽利略式望远镜的凹镜片目镜改用一个小凸透镜，把长焦距的透镜和短焦距的透镜配合在一起，这好比给放大镜“戴上一副眼镜”。

约翰内斯·开普勒

生平与学术生涯

约翰内斯·开普勒于1571年12月27日出生在德国巴登—符腾堡州威尔市的一个信奉路德新教的普通家庭。开普勒在毛尔布隆市上完了拉丁文学校和修道院学校，后来在图宾根大学学习神学，很快就对数学和天文学表现出了浓厚的兴趣。在大学期间，他的导师米夏埃多·梅斯特林（1550—1631）向他讲述了哥白尼的新宇宙学说。大学毕业后，开普勒在奥地利的格拉茨获得了教数学的职位。在反宗教改革的运动中他被迫又回到了图宾根，但在那里开普勒也很难在信仰上与信奉路德新教的人完全融为一体，特别是他反对在圣礼中将灵魂和肉体合为一体。尽管他一生虔诚信教，而且这种宗教信仰还影响了他全部的科学研究，开普勒还是在1612年被逐出教会，以后他虽曾多次试图改过并重返教会，但始终未能如愿。160 0年他来到了布拉格，应邀担任了皇家天文学家第谷·布拉赫的助手，后来则成了他的继承人。在妻子和一个儿子相继去世后，开普勒于1612年离开了布拉格来到了林茨，并在那里举行了第二次婚礼。开普勒共有17个孩子，这也是他经常经济窘迫的原因之一。除此之外，开普勒与教会总是麻烦不断，17世纪20年代，当宗教朝着不利于新教的方向发展时，开普勒陷入了很大的危机。1626年他的图书馆和他受皇帝所托研制的《鲁道夫星表》被毁，他被迫开始了流浪生活，其中有两年成为西里西亚元帅瓦伦斯坦的占星师。1630年11月15日，开普勒在结束了去雷根斯堡的催薪之旅后因一路劳顿死于精力衰竭。开普勒的全部著作和文稿都表达了希望在宇宙的和谐中寻找神圣之物的愿望，数学是他寻找神圣之物的一把钥匙。在早年写的《宇宙的神秘》（1596）一书中，他把宇宙说成是三位一体的象征，并借助柏拉图物质的神秘学说令人惊奇地准确“证明”了行星的数量和相隔的距离。后来，开普勒试图在实验中取得更精确的测量结果，柏拉图关于物质对称的观点因此才慢慢淡出。在他的《新天文学》（1609）里，开普勒表示古代关于匀速圆周运动作为行星“本质的”和“自然的”运动的假设是可以放弃的，并对此做出了解释。对木星运行轨道的研究使开普勒的宇宙观取得了革命性的改变，他认识到行星是在椭圆的轨道上运行的。开普勒的主要天文学著作《宇宙和谐论》（1619）包括了三大著名的开普勒定律，他的这三个定律50年后导致了牛顿万有引力定律的诞生。除了光学和磁学的研究外，开普勒还从事容积计算（葡萄酒容器）和基督出生日期的研究。开普勒还是第一位科幻作家，他的《月球之梦》描述了月球之旅的“见闻”。

推荐

阅读：

《约翰内斯·开普勒》， Volker

Bialas著，München 2004

《约翰内斯·开普勒》， Mechthild

Lemcke著，Reinbek 1995

《开普勒案》， Joshua Gilder，

Anne-Lee Gilder著，Berlin 2005

《约翰内斯·开普勒与新天文学》，

James R. Voelkel著，刘堃译，陕西师范大学出版社2004

视听：

《世界大和谐》，五幕话剧，Paul Hindemith著

参观：

德国威尔市开普勒博物馆（开普勒出生地）

德国雷根斯堡开普勒纪念馆（开普勒临终之地）

点评

开普勒是一位为知识和进步而生的科学家，对行星运行轨道的研究作出了无与伦比的贡献。而他本人看重的是上帝的尊严和数学的无穷魅力。