開普勒的研究

1601年，第谷臨終時(shí)把大量寶貴的觀測(cè)記錄傳給了年輕的助手開普勒(1571-1630年），希望他利用這些資料改進(jìn)天文圖表，進(jìn)而證明第谷的理論。但開普勒日后取得的成就，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個(gè)范圍。

1.《宇宙的奧秘》

開普勒出生于符騰堡，父親曾任職于當(dāng)?shù)匦陆探虝?huì)。

他在少年時(shí)進(jìn)入符騰堡隱修院學(xué)習(xí)，曾把當(dāng)牧師作為理想的職業(yè)。1587年開始，他就讀于蒂賓根大學(xué)，在這里聽了贊成哥白尼日心說(shuō)的麥斯特林教授的天文學(xué)課程，并因此而成了哥白尼學(xué)說(shuō)的信徒。1591年，他獲得碩士學(xué)位。

為了謀生，他于1594年中斷了在蒂賓根大學(xué)的神學(xué)課程，到奧地利南部的格拉茨地方擔(dān)任路德派學(xué)校的數(shù)學(xué)教師。他同時(shí)還編寫占星歷書，以貼補(bǔ)生活之需。

開普勒的思想中具有畢達(dá)哥拉斯神秘主義的某些痕跡，他認(rèn)為自然界具有數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)單性，行星是依照幾何定律運(yùn)動(dòng)的。1596年，他出版了自己的第一本著作-《宇宙的奧秘》。該書以5種正多面體的幾何結(jié)構(gòu)，來(lái)解釋當(dāng)時(shí)已知的包括地球在內(nèi)的6大行星與太陽(yáng)的距離。作為哥白尼的信徒，他希望自己的構(gòu)想能夠證明哥白尼的學(xué)說(shuō)。他甚至在做這項(xiàng)工作時(shí)不斷地祈求上帝，"如果哥白尼說(shuō)的是真的，那就讓我成功吧！"他進(jìn)行了大量的計(jì)算，以驗(yàn)證自己的想法是否與哥白尼的軌道理論吻合。根據(jù)上述構(gòu)想計(jì)算出的結(jié)果，與通過實(shí)際觀測(cè)推算的距離基本相符，雖然并不完全一致，但開普勒認(rèn)為這是觀測(cè)的誤差所致。這本在哥白尼的《天體運(yùn)行論》問世50多年后出版的著作，是對(duì)哥白尼體系所作的第一次重要的公開辯護(hù)，但開普勒也修正了哥白尼。他在確定行星軌道時(shí)，不是以地球偏心軌道的中心為參考，而是以太陽(yáng)作為參考，因?yàn)閾?jù)此得出的數(shù)據(jù)與他的正多面體結(jié)構(gòu)的構(gòu)想更為吻合。

《宇宙的奧秘》出版后，開普勒把它寄給了第谷，并由此而同他建立了通信聯(lián)系。開普勒在書中表達(dá)的關(guān)于宇宙和諧的思想，受到第谷的賞識(shí)。1600年，開普勒到布拉格同第谷會(huì)面，并留下來(lái)為第谷整理行星觀測(cè)資料。第谷逝世后，開普勒把根據(jù)這些觀測(cè)結(jié)果編制準(zhǔn)確的星表和探索與哥白尼學(xué)說(shuō)一致的行星理論作為自己的任務(wù)。前一項(xiàng)任務(wù)于1627年取得了結(jié)果，開普勒編制出了望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之前最好的星表，它以第谷和開普勒的保護(hù)人魯?shù)婪蚨阑实鄣拿置?，稱"魯?shù)婪蛐潜?。后一項(xiàng)任務(wù)的進(jìn)行，則導(dǎo)致了宇宙天文學(xué)的重大突破。

2.發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)定律

在探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，開普勒注意到，太陽(yáng)不僅位居中心，而且也是力量的中心。他起先認(rèn)為，太陽(yáng)有一個(gè)"運(yùn)動(dòng)精神"，它推動(dòng)行星沿著各自的軌道運(yùn)動(dòng)，行星離太陽(yáng)越近，受太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)精神的影響也就越大。后來(lái)，他對(duì)上述表達(dá)作了一個(gè)重大的修改，即用"力量"一詞代替了"運(yùn)動(dòng)精神"的提法，從而使自己的天體物理體系的意義更加完整，并因此而使得對(duì)宇宙的解釋從有機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)械。開普勒指出，很有可能，"天體機(jī)器并非神圣的有機(jī)體，而只是一個(gè)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)……因?yàn)楦鞣N各樣的運(yùn)動(dòng)是通過物體的一個(gè)單一而十分簡(jiǎn)單的磁力產(chǎn)生的，正如鐘內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)都只是一個(gè)十分簡(jiǎn)單的鐘錘所產(chǎn)生。"他的這一思想大概受到了英國(guó)科學(xué)家威廉.吉爾伯特(1544-1603年）的影響。吉爾伯特在1600年出版了關(guān)于磁性研究的著作，其中有關(guān)于地球是一個(gè)巨大球形磁場(chǎng)的思想。

開普勒的最大成就，是發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律。

開普勒對(duì)火星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)期的艱苦研究。他在用哥白尼的勻速圓周運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算火星軌道時(shí)，得出的結(jié)果同第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)至少相差8弧分。這個(gè)誤差在當(dāng)時(shí)條件下不算很大，但開普勒相信第谷的觀測(cè)誤差不會(huì)大于4弧分。于是，他放棄了行星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的理論，而在反復(fù)計(jì)算之后得出了新的結(jié)論：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的速度是變化的，其軌道是橢圓形的曲線。

1607年10月，開普勒在給友人的信中表示，在他即將出版的書中將提出一種新的哲學(xué)或天體物理學(xué)，以取代亞里士多德的天體神學(xué)或形而上學(xué)。

1609年，他的《新天文學(xué)》一書出版，他認(rèn)為，此書探索的是"運(yùn)動(dòng)的自然原因"。而在他之前，還沒有人用天體力學(xué)去解釋行星的運(yùn)動(dòng)。這是一項(xiàng)具有革命性意義的研究。以前，天文學(xué)只是為了產(chǎn)生一種能使行星位置與觀測(cè)一致的天體幾何學(xué)；而開普勒的目標(biāo)是尋找天體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)物理原因，而不僅僅是去發(fā)明或修正幾何結(jié)構(gòu)。

在《新天文學(xué)》中，開普勒提出了火星運(yùn)動(dòng)的兩條定律：①火星的軌道是一個(gè)以太陽(yáng)為一焦點(diǎn)的橢圓；③太陽(yáng)到火星的矢徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。隨后，他把這兩條定律推廣到其他的行星、月球以及木星的一顆衛(wèi)星。

1619年，開普勒又在《宇宙和諧論》中提出了他關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第三條定律：各個(gè)行星運(yùn)行周期的平方與其離開太陽(yáng)的平均距離的立方成正比。在這里，運(yùn)行周期指的是行星沿軌道運(yùn)行一周所需的時(shí)間，離太陽(yáng)的平均距離指的是行星繞日運(yùn)行橢圓形軌道離太陽(yáng)的最大距離與最小距離之和的一半。

用開普勒三定律計(jì)算出的行星軌道與第谷的觀測(cè)是吻合的，與近代觀測(cè)的結(jié)果也是一致的。全部九大行星——包括當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的——都是按照這三個(gè)定律而圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的。

刻卜勤極大地發(fā)展了哥白尼的學(xué)說(shuō)。事實(shí)上，到最后他除了保留哥白尼的兩個(gè)最基本觀點(diǎn)——太陽(yáng)靜止地位于中心以及地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)——之外，幾乎放棄了哥白尼學(xué)說(shuō)中所有別的東西。他不僅建立了一個(gè)新的宇宙天文學(xué)體系，而且為整個(gè)天文學(xué)提供了一個(gè)新的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。行星運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)現(xiàn)，成為后來(lái)牛頓萬(wàn)有引力概念產(chǎn)生的基石。

開普勒的個(gè)人遭遇是令人同情的，伴隨他走完人生旅程的，基本上是貧困、孤獨(dú)和疾病。但他在逆境中奮斗不息，為天文學(xué)和物理學(xué)的革命作出了卓越的貢獻(xiàn)。