约翰尼斯·开普勒：你需要知道的一切

17世纪早期的天文学家约翰尼斯·开普勒定义了支配行星运动的基本规则。(图片来源:uux.cn/历史/环球图像集团，通过Getty Images)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（基思·库珀）：我们对行星轨道的一切理解的基础来自德国天文学家约翰尼斯·开普勒的工作。

开普勒在不知道万有引力的情况下，在他的行星运动三定律中数学地描述了行星围绕太阳的运动。他的工作是为尼古拉·哥白尼的理论提供证据的关键，哥白尼的理论认为太阳，而不是地球，是太阳系的中心。

约翰尼斯·开普勒于1571年12月27日出生在自由帝国城市韦尔施塔特，即今天的德国斯图加特附近。他年幼时被当兵的父亲遗弃，由母亲和祖父母抚养成路德教徒。

虽然小时候被忽视，但他显示出数学天赋，并目睹了两次激发他对宇宙兴趣的天文事件:1577年的大彗星和1580年的月全食。然而，一场天花让开普勒双手残废，视力受损。

十几岁时，开普勒在阿德尔伯格的一所西多会修道院学习，在那里他学习了当时学者使用的语言拉丁语，从而为他成年后的学术研究奠定了基础。他继续在德国的图宾根大学学习哲学。

在图宾根时，开普勒的数学教授迈克尔·梅斯特林向他介绍了哥白尼学说，哥白尼学说是以1543年去世的哥白尼命名的。这个以太阳为中心的模型描述了地球和太阳系中的其他行星是如何围绕太阳运行的，而不是相反。

16世纪后期，日心说还是一个边缘理论；大多数人认为地球是万物的中心。在图宾根，开普勒学习了这两种理论，并在阅读了哥白尼的“关于天体运行的六本书”后，他立即摒弃了地心说，转而支持日心说。

尽管日心说合乎逻辑，但该模型的观测证据在16世纪晚期丢失了。开普勒把提供证据作为他一生的使命；他认为这是更好地理解上帝伟大设计的一种方式。在开普勒生活的虔诚时代，即使诉诸逻辑也需要神的解释。

1594年，开普勒接受了在奥地利格拉茨教数学和天文学的职位，在那里他有了突破。开普勒在黑板上玩几何图形的时候，在一个等边三角形里面画了一个圆，这个圆与三角形的每边各有一半接触。然后他在三角形周围画了另一个圆，这个圆与三角形的三个点都接触。

开普勒认为圆的大小比例与木星和土星的轨道比例相匹配，并想象每个行星的轨道之间是一个“柏拉图立体”——一个三维多面体。开普勒将此解释为上帝支持行星轨道的基本几何设计的一部分。1596年，他在他的书《神秘宇宙》中发表了他的观点。

开普勒还研究了其他一些在今天看来古怪的想法。例如，1619年，他出版了《世界的和谐》，其中他认为六个已知行星(在天王星和海王星被发现之前)的运动可以用音乐音调来描述，它们的轨道产生了和谐。尽管有这些奇怪的想法，开普勒比他之前的任何人都更精确地模拟了行星的轨道。

捷克赫拉恰尼的第谷·布拉尼和约翰尼斯·开普勒雕像。(图片鸣谢:uux.cn/比尔·汤普金斯/盖蒂图片社)

1600年，开普勒前往布拉格附近的贝纳基城堡，为丹麦天文学家第谷·布拉尼和克里斯腾·索伦森·朗格蒙塔努斯担任观测助理。通过Longomontanus，开普勒仔细跟踪了火星在天空的运动，绘制了它的轨道。开普勒注意到，火星离太阳越远，行星移动越慢，离太阳越近，火星沿轨道移动越快。

这些是开普勒为日心说模型提供观测证据的第一步。然而，开普勒并不喜欢为布拉赫和隆戈蒙塔努斯工作。一方面，他的上级是地球中心论者，并驳回了开普勒的哥白尼学说。第二，布拉赫不允许开普勒查阅他自己几十年来对天空的详细观察记录。

第三，贝纳基城堡的环境很嘈杂，有很多聚会、酒和音乐，几乎没有隐私；尤其是布拉赫，他是个派对动物。开普勒提出了一系列要求，要求更正式的合同和更好的工作条件，但他很快被赶出了城堡。幸运的是，聪明的头脑占了上风，布拉赫和开普勒和好了，开普勒带着他的家人回来了。

然而，在1601年，有一个巨大的情节转折:在一段时间的特别沉重的聚会后，布拉赫去世了。当时，他的死亡被归咎于肾结石，但在20世纪90年代，有人认为布拉赫可能死于汞中毒，开普勒是布拉赫死亡的嫌疑人。然而，2010年，布拉赫的遗体被挖掘出来，一份毒理学报告没有发现汞中毒的证据。相反，人们认为第谷死于细菌感染、前列腺癌或膀胱破裂。

开普勒于1630年11月15日在德国雷根斯堡死于发烧，可能是膀胱感染的结果，享年58岁。

然而，他的名字将永远留在他的行星运动定律和美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜中，开普勒太空望远镜在2009年至2018年间发现了数千颗系外行星。

他在1604年看到的开普勒超新星的发光残骸。(图片鸣谢:uux.cn/美国国家航空航天局/CXC/SAO/JPL–加州理工学院/MSFC/STScI/欧空局/CSA/SDSS/ESO)

第谷死后，开普勒取代他成为神圣罗马帝国皇帝费迪南大公的御用数学家。在弥留之际，布拉赫允许开普勒使用他极其保密的天文数据，这些数据在开普勒最著名的工作中被证明是至关重要的:他的行星运动三定律。

1609年，开普勒出版了《新星天文学》，详细描述了他对火星在天空中运动长达10年的研究。《新星天文学》包含了前两个定律；第三定律发表在《世界和谐》上。然后，在1621年，开普勒出版了他的巨著《天文学缩影》，完整地描述了这三个定律。

值得注意的是，在不知道支配行星轨道的重力的情况下，开普勒提供了轨道运动的基本数学。后来被认为“发现”了引力的艾萨克·牛顿进一步发展了开普勒定律，开普勒定律是牛顿引力定律的基础。

行星运动定律并不是开普勒进行的唯一有效的科学工作。1604年，他出版了《天文学光学部分》(Astronomiae Pars Optica)，解释了他在1580年看到的月食为什么是红色的(太阳光大气折射的结果)。1604年，他目睹了蛇夫座的一颗超新星，这是银河系中看到的最后一颗超新星。

1608年发明望远镜后，开普勒用望远镜光学进行了实验，改进了汉斯·利珀希和伽利略·伽利雷的设计，创造了开普勒望远镜，这构成了所有现代折射望远镜的基础。

行星运动第一定律指出，行星在略呈椭圆形的轨道上运动——微妙的椭圆形而不是圆形。此外，它指出太阳位于椭圆的一个焦点上。对于一个圆，有一个与该圆上所有点等距的中心。相比之下，椭圆没有等距的中心。相反，椭圆沿着连接椭圆两个最宽部分的中心线有两个焦点，分别位于中心的两侧。(这叫做半长轴。)太阳位于这些焦点之一。

行星运动第二定律与行星在椭圆轨道上离太阳越远，其运行速度越慢有关。它指出，如果你在一颗行星和太阳之间画一条线，这条线将在相等的时间内扫过相等的面积。

为了理解这个想法，想象一个太阳在一个焦点上的椭圆，如第一定律所述，并画一条从太阳到椭圆上的一颗行星的假想线。现在，想象行星在给定的时间内沿着它的椭圆轨道运动，当它和太阳在椭圆的对面时。因为它离太阳更远，所以移动得更慢。行星和太阳之间的直线将形成一个角度，覆盖椭圆的某个区域。现在，想象行星在椭圆的另一边，离太阳最近，移动了同样长的时间。在这里，它移动得更快，它画出的角度也更大。但是因为它离太阳更近，所以它覆盖的总面积是一样的。

行星运动第三定律指出，行星轨道周期的平方与轨道半长轴长度的立方成正比。这是一种复杂的说法，即行星完成绕太阳一周的时间(即其轨道周期)与其椭圆轨道的半长轴成正比，半长轴是穿过椭圆中心并连接两个最宽部分的线。半长轴较大的行星绕太阳运行的时间会更长。换句话说，金星绕太阳一周的时间比水星长，地球比金星长，火星比地球长，等等。

约翰尼斯·开普勒是一位天文学家，以他的行星运动三定律而闻名，该定律描述了行星如何绕太阳做椭圆运动。由于美国国家航空航天局的系外行星探测开普勒太空望远镜，他的名字也广为人知。

1611年，开普勒发明了一种望远镜，现在被称为开普勒望远镜，它使用凸目镜提供广阔的视野，而不是通过伽利略的凹透镜望远镜看到的狭窄视野。开普勒式设计成为所有未来折射望远镜的基础

1530年，开普勒在前往德国雷根斯堡的途中，因短暂的疾病去世，享年58岁，距他的59岁生日还有6周。