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開普勒是德國天文學家,數學家。1571年12月27日生於魏爾,1630年11月15日卒於雷根斯堡。發現了行星沿橢圓軌道運行,並且提出行星運動三定律。

開普勒是德國天文學家,數學家。1571年12月27日生於魏爾,1630年11月15日卒於雷根斯堡。發現了行星沿橢圓軌道運行,並且提出行星運動三定律。

1 開普勒 -基本資料

姓名: 開普勒
性別:男
生日:1571年12月27日
籍貫:德國

2 開普勒 -成長經歷

開普勒開普勒
開普勒從小體弱多病,家境貧寒,1587年考入蒂賓根大學,靠符騰堡公爵提供的少量助學金寒窗苦讀,1588年獲學士學位,1591年獲碩士學位。1594年起在奧地利路德教會學校當數學教師。因信奉新教,1598年遭天主教勢力的驅逐。1600年到布拉格拜訪第谷,不久攜全家前往,他成了第谷的助手和合作者。1601年10月第谷去世,他繼任第谷的皇家數學家的職務。1604年發現和持續地觀測了出現在蛇夫座的一顆新星,此星現在被命名為開普勒新星。應用第谷臨終前遺贈給他的大量火星觀測資料深入研究火星的運動,發現火星的公轉軌道是橢圓,太陽位於其一個焦點上,還發現火星的向徑在單位時間內掃過相等的面積,不久他指出這兩個定律也適用其他行星,它們被稱為行星運動的第一定律和第二定律。1609年,他在《新天文學》一書中公布了這兩個定律。1611年出版《光學》一書,書中提出把伽利略式凹透鏡目鏡改為小凸透鏡,這種望遠鏡後來稱為開普勒式望遠鏡。1611~1625年間在林茨任地方數學家14年。期間發現了行星運動第三定律:「行星公轉周期的平方與其赤道半長徑的立方成正比。」該定律刊布在他1619年出版的《宇宙和諧論》一書中。1618~1621年出版《哥白尼天文學概要》一書,熱情宣傳哥白尼日心體系,系統介紹自己對天文學的貢獻,後來此書成為17世紀歐洲影響最廣的天文學著作。在林茨期間,他還於1615年寫了《測定酒精體積的新方法》的重要論文,該文對微積分的誕生有重要價值。

3 開普勒 -開普勒創立的定律

行星運動定律

約翰尼斯・開普勒於公元1571年出生在德國的威爾德斯達特鎮,恰好是哥白尼發表《天體運行論》后的第二十八年。哥白尼在這部偉大著作中提出了行星繞太陽而不是繞地球運轉的學說。開普勒就讀於蒂賓根大學,1588年獲得學士學位,三年後獲得碩士學位。當時大多數科學家拒不接受哥白尼的日心說。在蒂賓根大學學習期間,他聽到對日心學說所做的合乎邏輯的闡述,很快就相信了這一學說。」                                                                      在蒂賓根大學畢業后,開普勒在格拉茨研究院當了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學著作(1596年)。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤,但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想,於是偉大的天文學家泰修・布拉赫邀請他去布拉格附近的天文台給自己當助手。開普勒接受了這一邀請,1600年1月加入了泰修的行列。泰修翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象,不久聖羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替泰修的皇家數學家。開普勒在餘生一直就任此職。                                                                   作為泰修・布拉赫的接班人,開普勒認真地研究了泰修多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。泰修是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學家,也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察家,因此他的記錄具有十分重大的價值。開普勒認為通過對泰修的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說是正確的:哥白尼日心說,古老的托勒密地心說,或許是泰修本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算,開普勒發現泰修的觀察與這種三學說都不符合,他的希望破滅了。                                                                                        最終開普勒認識到了所存在的問題:他與泰修、拉格茨・哥白尼以及所有的經典天文學家一樣,都假定行星軌道是由圓或複合國組成的。但是實際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。                                                                      就在找到基本的解決辦法后,開普勒仍不得不花費數月的時間來進行複雜而冗長的計算,以證實他的學說與泰修的觀察相符合。他在1609年發表的偉大著作《新天文學》中提出了他的前兩個行星運動定律。行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉,而太陽位於這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快,行星的速度以這樣的方式變化:行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的面積相等。十年後開普勒發表了他的行星運動第三定律:行星距離太陽越遠,它的運轉周期越長;運轉周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。

開普勒定律

開普勒定律對行星繞太陽運動做了一個基本完整、正確的描述,解決了天文學的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略這樣的天才都感到迷惑不解。當時開普勒沒能說明按其規律在軌道上運行的原因,到17世紀後期才由艾薩克・牛頓闡明清楚。開普勒對此運動性質的研究,我們可以看到萬有引力定律已見雛形。開普勒在萬有引力的證明中已經證到:如果行星的軌跡是圓形,則符合萬有引力定律。而如果軌道是橢圓形,開普勒並未證明出來。牛頓後來用很複雜的微積分和幾何方法證出。
牛頓曾說過:「如果說我比別人看得遠些的話,是因為我站在巨人的肩膀上。」開普勒無疑是他所指的巨人之一。                                                                                                                                                                     開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方面來看,開普勒的成就甚至給人留下了更深刻的印象。他更富於創新精神。他所面臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達,沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。                                                                                                                                         從開普勒取得的成果的重要性來看,令人感到驚奇的是他的成果起初差一點被忽略,甚至差點被伽利略這樣如此偉大的科學家所忽略(伽利略對開普勒定律的忽視特別令人感到驚奇,因為他倆之間有書信往來,而且開普勒的成果會有助於伽利略駁斥托勒密學說)。如果說其他人遲遲不能賞識開普勒成果的重大意義的話,他本人是會諒解這一點的。他在一次抑制不住巨大喜悅時寫道:「我沉湎在神聖的狂喜之中……我的書已經完稿。它不是會被我的同時代人讀到就會被我的子孫後代讀到──這是無所謂的事。它也許需要足足等上一百年才會有一個讀者,正如上帝等了6000年才有一個人理解他的作品。」                                                                                                 但是經過幾十年的歷程,開普勒定律的意義在科學界逐漸明朗起來。實際上在17世紀晚期,有一個支持牛頓學說的主要論點認為開普勒定律可以從牛頓學說中推導出來,反過來說只要有牛頓運動定律,也能從開普勒定律中精確地推導出牛頓引力定律。但是這需要更先進的數學技術,而在開普勒時代則沒有這樣的技術、就是在技術落後的情況下,開普勒也能以其敏銳的洞察力判斷出行星運動受來自太陽的引力的控制。                                          開普勒除了發明行星運動定律外,還對天文學做出了許多小的貢獻。他也對光學做出了重要的貢獻。不幸的是他在晚年為私事而感到憂傷。當時德國開始陷入「三十年戰爭」的大混亂之中,很少有人能躲進世外桃源。           他遇到的一個問題是領取薪水。聖羅馬皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期,開普勒的薪水被一拖再拖,得不到及時的支付。開普勒結過兩次婚,有十二個孩子,這樣的經濟困難的確很嚴重。另一個問題是他的母親在1620年由於行巫術而被捕。開普勒花費了大量的時間設法使母親在不受拷打的情況下獲得釋放,他終於達到了目的。

4 開普勒 -個人影響

5 開普勒 -人物評價

6 開普勒 -相關鏈接

    開普勒是德國近代著名的天文學家、數學家、物理學家和哲學家。他以數學的和諧性探索宇宙,在天文學方面做出了巨大的貢獻。開普勒是繼哥白尼之後第一個站出來捍衛太陽中心說、並在天文學方面有突破性成就的人物,被後世的科學史家稱為「天上的立法者」。


    開普勒出生在德國威爾的一個貧民家庭,開普勒是一個早產兒,體質很差。他在童年時代遭遇了很大的不幸,四歲時患上了天花和猩紅熱,雖僥倖死裡逃生,身體卻受到了嚴重的摧殘,視力衰弱,一隻手半殘。但開普勒身上有一種頑強的進取精神,但一直堅持努力學習,成績一直名列前茅。


    1587年進入蒂賓根大學,在校中遇到秘密宣傳哥白尼學說的天文學教授麥斯特林。在他的影響下,很快成為哥白尼學說的忠實維護者。大學畢業后,開普勒獲得了天文學碩士的學位,被聘請到格拉茨新教神學院擔任教師。後來,由於學校被天主教會控制,開普勒離開神學院前往布拉格,與卓越的天文觀察家第谷一起專心地從事天文觀測工作。正是第谷發現了開普勒的才能。在第谷的幫助和指導下,開普勒的學業有了巨大的進步。第谷死後,開普勒接替了他的職位,被聘為皇帝的數學家。然而皇帝對他十分慳吝,給他的薪俸僅僅是第谷的一半,還時常拖欠不給。他的這一點點收入不足以養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自己的科學研究,並且在這種艱苦的環境下取得了天文學上的累累成果。


    早期的開普勒深受柏拉圖和畢達哥拉斯神秘主義宇宙結構論的影響,以數學的和諧性去探索宇宙。他用古希臘人已經發現的五個正多面體,跟當時巳知的六顆行星的軌道套迭,從而解釋了太陽系中包括地球在內恰好有六顆行星以及它們的軌道大小的原因。他把這些結論整理成書發表,定名為《宇宙的秘密》。這個設想雖帶有神秘主義色彩,但卻也是一個大膽的探索。


    第谷最大的天文學成就就是發現了開普勒。第谷在臨終前將自己多年積累的天文觀測資料全部交給了開普勒,再三叮囑開普勒要繼續他的工作,並將觀察結果出版出來。開普勒接過了第谷尚未完成的研究工作。


    後來,開普勒在伽利略的影響下,通過對行星運動進行深入的研究,拋棄了柏拉圖和畢達哥拉斯的學說,逐步走上真理和科學的軌道。


    對火星軌道的研究是開普勒重新研究天體運動的起點。因為在第谷遺留下來的數據資料中,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,開普勒用正圓編製火星的運行表,發現火星老是出軌。他便將正圓改為偏心圓。在進行了無數次的試驗后,他找到了與事實較為符合的方案。可是,依照這個方法來預測衛星的位置,卻跟第谷的數據不符,產生了8分的誤差。這8分的誤差相當於秒針0.02秒瞬間轉過的角度。開普勒知道第谷的實驗數據是可信的,那錯誤出在什麼地方呢?


    正是這個不容忽略的8分使開普勒走上了天文學改革的道路。他敏感的意識到火星的軌道並不是一個圓周。隨後,在進行了多次實驗后,開普勒將火星軌道確定為橢圓,並用三角定點法測出地球的軌道也是橢圓,斷定它運動的線速度跟它與太陽的距離有關。


    這樣就得出了關於行星運動的第二條定律:「行星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積。」這兩條定律,刊登於1609年出版的《新天文學》一書。書中他還指出,這兩條定律同樣適用於其他行星和月球的運動。1612年,開普勒的保護人魯道夫二世被迫退位,因此他也離開布拉格,去奧地利的林茨。當地專門為他設立了一個數學家的職務。


    經過長期繁??第三條定律:「行星公轉周期的平方等於軌道半長軸的立方。」這一結果發表在1619年出版的《宇宙和諧論》中。行星運動三定律的發現為經典天文學奠定了基石,並導致數十年後萬有引力定律的發現。


    1604年9月30日在蛇夫座附近出現一顆新星,最亮時比木星還亮。開普勒對這顆新星進行了17個月的觀測並發表了觀測結果。歷史上稱它為開普勒新星(這是一顆銀河系內的超新星)。1607年,他觀測了一顆大彗星,就是後來的哈雷彗星。


    不僅在天文學上,開普勒在在光學領域的貢獻也是非常卓越的。他是近代光學的奠基者。他研究了小孔成像,並從幾何光學的角度加以解釋說明。他指出光的強度和光源的距離的平方成反比。開普勒研究過光的折射問題,認為折射的大小不能單單從物質密度的大小來考慮。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,開普勒發表了《折光學》一書,闡述了光的折射原理,為折射望遠鏡的發明奠定了基礎。他最早提出了光線和光束的表示法,還成功地改進瞭望遠鏡。開普勒還對人的視覺進行了研究,糾正了以前人們所認為的視覺是由眼睛的發射出光的錯誤觀點。他認為人看見物體是因為物體所發出的光通過眼睛的水晶體投射在視網膜上,並且解釋了產生近視眼和遠視眼的原因。1604年發表《對威蒂略的補充--天文光學說明》。1611年出版《光學》一書,這是一本闡述近代望遠鏡理論的著作。他把伽里略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡,這種望遠鏡被稱為開普勒望遠鏡。


    開普勒還發現大氣折射的近似定律,用很簡單的方法計算大氣折射,並且說明在天頂大氣折射為零。他最先認為大氣有重量,並且正確地說明月全食時月亮呈紅色是由於一部分太陽光被地球大氣折射后投射到月亮上而造成的。


    他出版的《哥白尼天文學概要》敘述他對宇宙結構和大小的觀點;在《彗星論》中,他指出彗尾總是背著太陽,是因為太陽光排斥彗頭的物質所造成;1627年出版的《魯道夫星表》是根據他的行星運動定律和第谷的觀測資料編製的。根據此表可以知道行星的位置,其精度比以前的任何星表都高,直到十八世紀中葉,它一直被視為天文學上的標準星表。


    他於1629年出版的《稀奇的1631年天象》中預言1631年11月7日水星凌日現象,12月6日金星也將凌日,果然如期觀測到了水星凌日,而金星凌日西歐看不到。1630年,他幾個月領不到薪水,經濟困難,不得不親自前往雷根斯堡索取。在那裡突然高燒,幾天後在貧病交困中去世。 


    晚年的開普勒堅持不懈地同唯心主義的宇宙論作鬥爭。1625年,他寫了題為《為第谷.布拉赫申辯》的著作,駁訴了烏爾蘇斯對第谷的攻擊,因而受到了天主教會的迫害。天主教會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,揚言要處決他。後來,開普勒因為曾擔任皇帝的數學家而倖免遇難。


    1630年11月,因數月未得到薪金,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,他剛剛到那裡就抱病不起。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,除一些書籍和手稿之外,身上僅剩下了7分尼(1馬克等於100分尼)。


    開普勒被葬於拉提斯本聖彼得堡教堂,戰爭過後,他的墳墓已當然無存。但他突破性的天文學理論,以及他不懈探索宇宙的精神卻成為了後人銘記他的最好的豐碑。


    開普勒所處的年代正值歐洲從封建主義社會向資本主義社會轉變的時期。在科學與神權的鬥爭中,開普勒堅定地站在了科學的一邊,用自己孱弱的身體、艱苦的勞動和偉大的發現來挑戰封建傳統觀念,推動了唯物主義世界觀的發展,使人類科學向前跨進了一大步。馬克思高度評價了開普勒的品格,稱他是自己所喜愛的英雄。 

7 開普勒 -參考文獻

http://baike.baidu.com/view/4416.htm

http://www.hongen.com/art/twdg/htwxj/th1006.htm

http://www.cycnet.com/encyclopedia/astro/OUTERSPACE/astronomer/000517009.htm

http://www.kepu.gov.cn/ZLG/yuzhou/zskpl.htm

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