名人故事：天上的立法者-開普勒
約翰.開普勒(Johanns Kepler,1571-1630)，德國(guó)近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。他以數(shù)學(xué)的和諧性探索宇宙，在天文學(xué)方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。開普勒是繼哥白尼之后第一個(gè)站出來(lái)捍衛(wèi)太陽(yáng)中心說(shuō)、并在天文學(xué)方面有突破性成就的人物，被后世的科學(xué)史家稱為“天上的立法者”。
一、不幸的一生
1571年12月27日，開普勒出生在德國(guó)威爾的一個(gè)貧民家庭。他的祖父曾是當(dāng)?shù)仡H有名望的貴族。但當(dāng)開普勒出生時(shí)，家道已經(jīng)衰落，全家人就靠經(jīng)營(yíng)一家小酒店生活。開普勒是一個(gè)早產(chǎn)兒，體質(zhì)很差。他在童年時(shí)代遭遇了很大的不幸，四歲時(shí)患上了天花和猩紅熱，雖僥幸死里逃生，身體卻受到了嚴(yán)重的摧殘，視力衰弱，一只手半殘。但開普勒身上有一種頑強(qiáng)的進(jìn)取精神。他放學(xué)后要幫助父母料理酒店，但一直堅(jiān)持努力學(xué)習(xí)，成績(jī)一直名列前茅。
1587年，開普勒進(jìn)入蒂賓根大學(xué)。這時(shí)候，新的不幸又降臨到他身上了，父親病故，母親被指控有巫術(shù)罪而入獄。生活不幸并未使他中止學(xué)業(yè)，他反而加倍努力學(xué)習(xí)。在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他受到天文學(xué)教授麥斯特林的影響，成為哥白尼學(xué)說(shuō)的擁護(hù)者，同時(shí)對(duì)神學(xué)的信仰發(fā)生了動(dòng)搖。開普勒經(jīng)常在大學(xué)里和同學(xué)辯論，旗幟鮮明的支持哥白尼的立場(chǎng)。大學(xué)畢業(yè)后，開普勒獲得了天文學(xué)碩士的學(xué)位，被聘請(qǐng)到格拉茨新教神學(xué)院擔(dān)任教師。后來(lái)，由于學(xué)校被天主教會(huì)控制，開普勒離開神學(xué)院前往布拉格，與卓越的天文觀察家第谷一起專心地從事天文觀測(cè)工作。正是第谷發(fā)現(xiàn)了開普勒的才能。在第谷的幫助和指導(dǎo)下，開普勒的學(xué)業(yè)有了巨大的進(jìn)步。第谷死后，開普勒接替了他的職位，被聘為皇帝的數(shù)學(xué)家。然而皇帝對(duì)他十分慳吝，給他的薪俸僅僅是第谷的一半，還時(shí)常拖欠不給。他的這一點(diǎn)點(diǎn)收入不足以養(yǎng)活年邁的母親和妻兒，因此生活非常困苦。但開普勒卻從未中斷過(guò)自己的科學(xué)研究，并且在這種艱苦的環(huán)境下取得了天文學(xué)上的累累成果。
1611年，皇帝魯?shù)婪蚨辣黄涞鼙茖m退位。開普勒也從此結(jié)束了御用數(shù)學(xué)家的生涯。1612年，開普勒被聘到奧地利林茨的一所大學(xué)任教兼作繪制地圖的工作。由于校方拖欠薪金，開普勒一家生活拮據(jù)。1913年，開普勒的妻子病故，他又與一個(gè)貧家女子成婚，生活依然處在艱難困苦中。1618年，三十年戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，開普勒被迫離開林茨，前往意大利波倫那大學(xué)任教。即使在這樣顛沛流離的環(huán)境下，開普勒依然以不舍的精神和緊張的勞動(dòng)去攻克天文學(xué)上的難關(guān)。
晚年的開普勒?qǐng)?jiān)持不懈地同唯心主義的宇宙論作斗爭(zhēng)。1625年，他寫了題為《為第谷 o 布拉赫申辯》的著作，駁訴了烏爾蘇斯對(duì)第谷的攻擊，因而受到了天主教會(huì)的迫害。天主教會(huì)將開普勒的.著作列為禁書。1626年，一群天主教徒保圍了開普勒的住所，揚(yáng)言要處決他。后來(lái)，開普勒因?yàn)樵鴵?dān)任皇帝的數(shù)學(xué)家而幸免遇難。
1630年11月，因數(shù)月未得到薪金，生活難以維持，年邁的開普勒不得不親自到雷根斯堡索取。不幸的是，他剛剛到那里就抱病不起。1630年11月15日，開普勒在一家客棧里悄悄地離開了世界。他死時(shí)，除一些書籍和手稿之外，身上僅剩下了7分尼(1馬克等于100分尼)。
開普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂，戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)后，他的墳?zāi)挂旬?dāng)然無(wú)存。但他突破性的天文學(xué)理論，以及他不懈探索宇宙的精神卻成為了后人銘記他的最好的豐碑。
二、開普勒早期的科學(xué)研究
早期的開普勒深受柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯神秘主義宇宙結(jié)構(gòu)論的影響，以數(shù)學(xué)的和諧性去探索宇宙。他用古希臘人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的五個(gè)正多面體，跟當(dāng)時(shí)巳知的六顆行星的軌道套迭，從而解釋了太陽(yáng)系中包括地球在內(nèi)恰好有六顆行星以及它們的軌道大小的原因。他把這些結(jié)論整理成書發(fā)表，定名為《宇宙的秘密》。這個(gè)設(shè)想雖帶有神秘主義色彩，但卻也是一個(gè)大膽的探索。
開普勒在天文學(xué)研究方面的天賦，是被第谷獨(dú)具慧眼地發(fā)現(xiàn)的，第谷是當(dāng)時(shí)最卓越的天文觀察家，他測(cè)量了無(wú)數(shù)恒星的位置和行星的運(yùn)動(dòng)。發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象，如黃赤交角的變化、月球運(yùn)行的二均差，以及歲差的測(cè)定等。第谷最大的天文學(xué)成就就是發(fā)現(xiàn)了開普勒。第谷在臨終前將自己多年積累的天文觀測(cè)資料全部交給了開普勒，再三叮囑開普勒要繼續(xù)他的工作，并將觀察結(jié)果出版出來(lái)。開普勒接過(guò)了第谷尚未完成的研究工作。 后來(lái)，開普勒在伽利略的影響下，通過(guò)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入的研究，拋棄了柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯的學(xué)說(shuō)，逐步走上真理和科學(xué)的軌道。
三、開普勒和天文學(xué)改革
對(duì)火星軌道的研究是開普勒重新研究天體運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)。因?yàn)樵诘诠冗z留下來(lái)的數(shù)據(jù)資料中，火星的資料是最豐富的，而哥白尼的理論在火星軌道上的偏離最大。開始，開普勒用正圓編制火星的運(yùn)行表，發(fā)現(xiàn)火星老是出軌。他便將正圓改為偏心圓。在進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)后，他找到了與事實(shí)較為符合的方案。可是，依照這個(gè)方法來(lái)預(yù)測(cè)衛(wèi)星的位置，卻跟第谷的數(shù)據(jù)不符，產(chǎn)生了8分的誤差。這8分的誤差相當(dāng)于秒針0.02秒瞬間轉(zhuǎn)過(guò)的角度。開普勒知道第谷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可信的，那錯(cuò)誤出在什么地方呢?
正是這個(gè)不容忽略的8分使開普勒走上了天文學(xué)改革的道路。他敏感的意識(shí)到火星的軌道并不是一個(gè)圓周。隨后，在進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)后，開普勒將火星軌道確定為橢圓，并用三角定點(diǎn)法測(cè)出地球的軌道也是橢圓，斷定它運(yùn)動(dòng)的線速度跟它與太陽(yáng)的距離有關(guān)。
1609年，開普勒出版了《新天文學(xué)》一書，提出了著名的開普勒第一和第二定律。而開普勒第三定律則是在1619年出版的《宇宙諧和論》中提出的。
開普勒第一定律是：所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是橢圓的，其大小不一，太陽(yáng)位于這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。
開普勒第二定律這樣斷定：向量半徑(行星與太陽(yáng)的連線)在相等的時(shí)間里掃過(guò)的面積相等。由此得出了以下的結(jié)論：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)是不等速的，離太陽(yáng)近時(shí)速度快，離太陽(yáng)遠(yuǎn)時(shí)速度慢。這一定律進(jìn)一步推翻了唯心主義的宇宙和諧理論，指出了自然界的真正的客觀屬性。
開普勒第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與行星和太陽(yáng)的平均距離的立方成正比。這一定律將太陽(yáng)系變成了一個(gè)統(tǒng)一的物理體系。
哥白尼學(xué)說(shuō)認(rèn)為天體繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是圓形的，且是勻速運(yùn)動(dòng)的。開普勒第一和第二定律恰好糾正了哥白尼的上述觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，對(duì)哥白尼的日心說(shuō)做出了巨大的發(fā)展，使"日心說(shuō)"更接近于真理。更徹底地否定了統(tǒng)治千百年來(lái)的托勒密地心說(shuō)。開普勒還指出，行星與太陽(yáng)之間存在著相互的作用力，其作用力的大小與二者之間的距離長(zhǎng)短成反比。
開普勒不僅為哥白尼日心說(shuō)找到了數(shù)量關(guān)系，更找到了物理上的依存關(guān)系，使天文學(xué)假說(shuō)更符合自然界本身的真實(shí)。開普勒在完成三大定律時(shí)曾說(shuō)道：“這正是我十六年前就強(qiáng)烈希望探求的東西。我就是為了這個(gè)目的同第谷合作的……現(xiàn)在大勢(shì)已定!書已經(jīng)寫成，是現(xiàn)在被人讀還是后代有人讀，于我卻無(wú)所謂了。也許這本書要等上一百年，要知道，大自然也等了觀察者六千年呢!”
四、開普勒的光學(xué)成就
不僅在天文學(xué)上，開普勒在在光學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也是非常卓越的。他是近代光學(xué)的奠基者。他研究了小孔成像，并從幾何光學(xué)的角度加以解釋說(shuō)明。他指出光的強(qiáng)度和光源的距離的平方成反比。開普勒研究過(guò)光的折射問題，認(rèn)為折射的大小不能單單從物質(zhì)密度的大小來(lái)考慮。例如油的密度比水的密度小，而它的折射卻比水的折射大。1611年，開普勒發(fā)表了《折光學(xué)》一書，闡述了光的折射原理，為折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。他最早提出了光線和光束的表示法，還成功地改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡。開普勒還對(duì)人的視覺進(jìn)行了研究，糾正了以前人們所認(rèn)為的視覺是由眼睛的發(fā)射出光的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。他認(rèn)為人看見物體是因?yàn)槲矬w所發(fā)出的光通過(guò)眼睛的水晶體投射在視網(wǎng)膜上，并且解釋了產(chǎn)生近視眼和遠(yuǎn)視眼的原因。
五、英雄
開普勒所處的年代正值歐洲從封建主義社會(huì)向資本主義社會(huì)轉(zhuǎn)變的時(shí)期。在科學(xué)與神權(quán)的斗爭(zhēng)中，開普勒?qǐng)?jiān)定地站在了科學(xué)的一邊，用自己孱弱的身體、艱苦的勞動(dòng)和偉大的發(fā)現(xiàn)來(lái)挑戰(zhàn)封建傳統(tǒng)觀念，推動(dòng)了唯物主義世界觀的發(fā)展，使人類科學(xué)向前跨進(jìn)了一大步。馬克思高度評(píng)價(jià)了開普勒的品格，稱他是自己所喜愛的英雄。
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