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首頁 世界史 約翰尼斯·開普勒的一生是怎樣的?他在天文學(xué)方面有哪些貢獻?

約翰尼斯·開普勒的一生是怎樣的?他在天文學(xué)方面有哪些貢獻?

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開普勒就讀于 符騰堡州 圖賓根大學(xué), 1588 年獲得學(xué)士學(xué)位,三年后獲得碩士學(xué)位。當時大多數(shù)科學(xué)家拒不接受哥白尼的日心說。在圖賓根大學(xué)學(xué)習(xí)期間,他聽到對日心學(xué)說所做的合乎邏輯的闡述,很快就相信了這一學(xué)說。在圖賓根大學(xué)畢業(yè)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(xué)著作( 1596 年)。雖然開普勒在該書中提出的學(xué)說完全錯誤,但卻從中非常清楚地顯露出他的數(shù)學(xué)才能和富有創(chuàng)見性的思想,于是偉大的天文學(xué)家第谷·布拉赫邀請他去布拉格附近的天文臺給自己當助手。開普勒接受了這一邀請, 1600 年 1 月加入了泰修的行列。第谷翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象,不久圣羅馬皇帝魯?shù)婪蚓臀嗡麨榻犹娴诠鹊幕始覕?shù)學(xué)家。開普勒在余生一直就任此職。作為第谷·布拉赫的接班人,開普勒認真地研究了第谷多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。第谷是望遠鏡發(fā)明以前的最后一位偉大的天文學(xué)家。

開普勒認為通過對第谷的記錄做仔細的數(shù)學(xué)分析可以確定哪個行星運動學(xué)說正確的:哥白尼日心說,古老的托勒密地心說,或許是第谷本人提出的第三種學(xué)說。但是經(jīng)過多年煞費苦心的數(shù)學(xué)計算,開普勒發(fā)現(xiàn)第谷的觀察與這三種學(xué)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:他與第谷、拉格茨·哥白尼以及所有的經(jīng)典天文學(xué)家一樣,都假定行星軌道是由圓或復(fù)合圓組成的。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(shù)月的時間來進行復(fù)雜而冗長的計算,以證實他的學(xué)說與第谷的觀察相符合。開普勒對此運動性質(zhì)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(jīng)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,開普勒并未證明出來。牛頓后來用很復(fù)雜的微積分和幾何方法證出。

1600 年,開普勒出版了《夢游》一書,這是一部純幻想作品,說的是人類與月亮人的交往。書中談到了許多不可思議的東西,像噴氣推進、零重力狀態(tài)、軌道慣性、宇宙服等等,人們至今不明白,近 400 年前的開普勒,他是根據(jù)什么想象出這些高科技成果的。盡管開普勒的書是純幻想作品,但它一定有一些背景來源,比如像畢達哥拉斯的話或古希臘神話。

1604年9月30日,開普勒在巨蛇星座附近發(fā)現(xiàn)了一顆新星(現(xiàn)知是銀河系內(nèi)的一顆超新星)。他雖視力不佳,仍持續(xù)觀測了十幾個月。他把觀測結(jié)果發(fā)表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一書中,打破了星座無變化的傳統(tǒng)說法。這一年他看到了一顆大彗星,即后來定名的哈雷彗星。當時不論是地心說還是日心說,都認為行星作勻速圓周運動。但開普勒發(fā)現(xiàn),對火星的軌道來說,按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法,都不能推算出同第谷的觀測相吻合的結(jié)果,于是他放棄了火星作勻速圓周運動的觀念,并試圖用別的幾何圖形來解釋,經(jīng)過四年的苦思冥想,也就是到了1609年他發(fā)現(xiàn)橢圓形完全適合這里的要求,能做出同樣準確的解釋,于是得出了“開普勒第一定律”:火星沿橢圓軌道繞太陽運行,太陽處于兩焦點之一的位置。

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(nèi)掃過的面積相等。十年后開普勒發(fā)表了他的行星運動第三定律:行星距離太陽越遠,它的運轉(zhuǎn)周期越長;運轉(zhuǎn)周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。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(xué)的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至像哥白尼、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(guī)律在軌道上運行的原因,到17世紀后期才由艾薩克·牛頓闡明清楚。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?!遍_普勒無疑是他所指的巨人之一。

開普勒發(fā)現(xiàn)了行星運動的三大定律,分別是軌道定律、面積定律和周期定律。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。同時他對光學(xué)、數(shù)學(xué)也做出了重要的貢獻,他是現(xiàn)代實驗光學(xué)的奠基人,他研究了針孔成像,并從幾何光學(xué)的角度加以解釋,并指出光的強度和光源的距離的平方成反比。開普勒也研究過光的折射問題,1611年發(fā)表了《折光學(xué)》一書,最早提出了光線和光束的表示法,并闡述了近代望遠鏡理論,他把伽利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。

1630年11月15日,約翰尼斯·開普勒在德國巴伐利亞州雷根斯堡病故,享年58歲。

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