伟大的天空立法者开普勒

开普勒（Johannes kepler，1571～1630）是17世纪对天文学有卓越贡献的德国天文学家。他捍卫并发展了哥白尼的日心学说，在第谷的大量观测资料的基础上，确立了行星运动的三大定律，被称为伟大的天空立法者。

开普勒出生在德国南部的瓦尔城，父亲是位职业军人，祖父曾当过市长。开普勒从小体弱多病，5岁时得了一场天花险些丧命，这使他手、眼留下轻度残疾。他身材瘦小，视力不好，但却聪明好学，善于思索和钻研。为了将来能找到一个合适的工作，开普勒进了蒂宾根大学学习神学，一心一意想当一名神职人员。由于开普勒天资聪颖，他毫不费力地接受了学校教授的每一门功课。他尤其对哲学表现出极大的兴趣，这对他后来改学天文学起了积极作用。上学期间开普勒也显示了他出众的数学才华。蒂宾根大学的天文学教授米切尔·麦斯特林是他的启蒙老师。他是一位哥白尼学说的同情者，在公开教学时他讲授托勒密的体系，而对于自己亲近的学生则宣传当时教廷禁令传播的哥白尼学说。开普勒从老师那儿了解了哥白尼的学说后，立即成为哥白尼的拥护者。大学毕业后，大多数学生都去当了牧师，而开普勒被他的老师麦斯特林推荐去奥地利格拉茨大学当上了数学和天文学讲师。正是这一偶然的机会使他走上了一条光辉灿烂的科学家的道路。开普勒的博学和多才博得了校方的好评。当时由于他的薪金很少，开普勒还靠编制占星历书来养家糊口。这件事甚至比他的教学工作影响还大，因此开普勒还有占星学家之称。

在奥地利期间，开普勒深入地思考了哥白尼的理论，并且将它和托勒密的学说相比较。开普勒赞叹哥白尼体系所显示的数学的和谐美，他从中看到了真实的宇宙图景。开普勒致力于探测六大行星的轨道大小之间的数字关系。开普勒很善于抽象思维，他在1596年发表了他的第一部天文著作《宇宙的神秘》。在这本书里开普勒用一套内切球和正多面体勾画了一个极其神秘的宇宙模型。当第谷读了这本书后，对他的才华极为赏识，称赞这套内切球体和正多面体为一个聪明的完美的构想。现在看来，开普勒的这套宇宙模型有点荒唐可笑，但在当时它毕竟是支持哥白尼观点的论文，而且在论文中提出了对行星数目和运动机制的探讨，这是在牛顿提出万有引力学说之前非常有开拓性的思想。在这之前没有人考虑过行星运动的物理机制问题。

1598年奥地利暴发了天主教与新教之间的宗教冲突，开普勒是一位新教徒，在那儿不断受到迫害，只好跑到匈牙利去。正当开普勒处于痛苦和失望之中时，丹麦天文学家第谷向他伸出了友谊之手。他接到第谷的邀请，请他去布拉格协助整理观测资料。开普勒于1600年来到了布拉格。一接触到第谷无比丰富的天象资料，开普勒就发现自己从前构造的美妙的宇宙模型漏洞百出。尽管当时开普勒对自己的宇宙模型欣赏至极，但当他一旦发现原有的模型与实际的观测事实不符时就坚决地抛弃了它。在第谷的身边，开普勒学会了重视和处理大量的天文观测资料。遗憾的是他们合作没有多久，第谷便去世了。临终前第谷告诫开普勒：一定要尊重观测事实。开普勒认为他与第谷的相遇是命里注定的。他说：“上帝通过一种不可改变的命运把我和第谷联在一起，即使我们发生了严重的争执也不许我们分手。”他们俩人在一起总共不过10个月。开普勒高度评价第谷，认为他是一位上帝施给人们的勤奋的观测家。开普勒与第谷的结合是欧洲科学史上最伟大的事件，两位个性迥异的科学家的结合标志着自然科学两大基础——经验观测和数学理论的结合。第谷获得的大量观测资料，经过开普勒的分析推理，总结出了行星运动的规律。

在第谷观测材料的基础上，开普勒继续寻找宇宙的秩序，他利用第谷的观测数据巧妙地算出了包括地球在内的六大行星的运行轨道，并进一步总结行星运动所遵循的数学规律。他选中了火星作为突破口，因为第谷留下的资料中火星的最为丰富，而且火星的运行观测资料与哥白尼理论出入最大。经过紧张艰苦的归纳、整理、试探，开普勒发现了火星绕太阳运行的规律。1609年他发表了《新天文学》一书，阐述了他对火星运动规律的发现。他确认火星运动的轨道是椭圆。火星划出了一个以太阳为焦点的椭圆（开普勒第一定律）；由太阳到火星的矢径在相等的时间内划出相等的面积（开普勒第二定律）。1618年开普勒出版了《哥白尼天文概要》。尽管该书取名为《哥白尼天文概要》，其实它的主要内容不是介绍哥白尼的天文学，而是系统地介绍了开普勒自己的天文理论。在这本书中，他将已经发现的火星运动的两大定律推广到了太阳系的所有行星，同时公布了他所发现的第三定律：行星公转周期的平方和它到太阳距离的立方成正比，这就将所有行星的运动与太阳紧密地联系在一起。这样太阳系的概念就牢牢地建立起来了。行星按照开普勒定律有条不紊地遨游太空，开普勒成了“天空立法者”。

为天空立法之后，开普勒很顺利地完成了第谷生前交给他的工作：制定行星运行表。为了答谢德国国王鲁道夫二世对他工作的支持，开普勒将此表命名为《鲁道夫星表》。这个表是当时最完备最准确的一部星表，在以后一百多年里几乎毫无修改地被天文学家和航海学家尊为经典。

开普勒在光学方面也有许多贡献。1604年开普勒出版《光学天文》一书，书中谈到了天文观测中的光行差、折射及日全食仪器等。开普勒的《折光学》一书是一本阐明近代光学望远镜原理的著作。伽利略造出望远镜之后，曾送了一架望远镜给开普勒，开普勒研究了透镜对光线的折射方式后。把伽利略的望远镜作了改进。伽利略用的是一个凸透镜和一个凹透镜，开普勒则改用两个凸透镜。开普勒设计的望远镜的结构后来被广泛应用在天文望远镜上，这种望远镜称之为开普勒望远镜，它是近代折光望远镜的基础。开普勒还提出光源的光度随距离的增加而减弱——平方反比定律，至今这仍是光度标准所遵循的定律。

开普勒一生都很贫困，身为宫廷天文学家，但薪水常常被拖欠，直到他去世后，宫廷仍然拖欠他一大笔薪水。尽管生活艰辛，但在贫病交加中奋战二十多年的开普勒却始终没有放弃他对科学的探索。在探索科学的道路上，他始终尊重事实，实事求是是他的原则。开普勒坚信，当自己的理论与第谷的观测资料不相符合时，第谷是正确的，他从自己的无数次失败中总结出正确的规律和定律。开普勒的科学思想是深沉、有序而和谐的。