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约翰尼斯·开普勒

约翰尼斯·开普勒

约翰尼斯·开普勒（德语：Johannes Kepler，1571年12月27日-1630年11月15日），德国天文学家、数学家，被称为“天空立法者”。

开普勒于1571年12月27日出生在德国富裕家庭，但不久后家庭败落。他因早产一直体弱多病，曾就读于蒂宾根大学，并获得天文学硕士学位。大学毕业后被聘请到格拉茨新教神学院担任讲师，后因不肯皈依天主教被驱逐。1600年受第谷·布拉赫（Tycho Brahe）邀请到布拉格一起从事天文观测工作，后因鲁道夫二世退位，工作被迫中止。1612年，开普勒开始在奥地利林茨担任数学教师和地图编制工作，后因德国三十年战争关系紧张，主动辞去工作。1630年，他到雷根斯堡讨薪，到达后一病不起去世。

开普勒在天文学、光学、数学等领域都有所成就，其中对后世影响最大的是天文学和光学。他发展了日心说理论，且修正了尼古拉·哥白尼等人行星绕太阳做圆周运动的错误理论；并提出开普勒三定律，揭示了行星运动时的速度变化和轨道运动之间的规律，也揭示了近地点与远地点卫星的运动速度变化规律，为后来艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的万有引力概念的诞生奠定了基石。此外，开普勒给出了平方反比定律、平面镜与曲面镜的反射、针孔相机原理以及光学的天文学含义。他还将光学研究延伸到人的眼睛，被神经学家称为意识到图像由眼睛晶状体翻转投射到视网膜上的第一人，其发表的《天文学的光学须知》被认为是现代光学的基础。

人物生平

早年经历

开普勒1571年12月27日出生于德国符腾堡市威尔德斯达特镇，是家中长子。他的爷爷塞巴尔德·开普勒（Sebald Kepler）是市里的市长，原本家世显赫。开普勒出生后不久，其家族开始败落。他的父亲海因里希·开普勒（Heinrich Kepler）作为一名雇佣兵过着不稳定的生活。5岁时，他的父亲离开了家庭，后来不幸战死。之后母亲卡塔丽娜（Katharina Guldenmann）独自将他养大，他母亲是一位旅店老板的女儿，也是一位治疗师和草药师。

开普勒是早产，童年时期体弱多病，近视、看东西重影，还患有溃疡及胃和胆囊方面的疾病，但是其数学能力常常给祖父旅馆里的旅客留下深刻的印象。6岁时，他看到了1577年的彗星，并且其母亲带他到高处仔细观看。9岁时，他又观测了一次月全食，且观测到月亮很红。从此，对天文学产生了浓厚的兴趣，但是童年的天花使他视力微弱，双手残疾，限制了其在天文观测方面的能力。

1584年10月，开普勒考入阿德尔贝格修道院神学预备学校，这是他在神学道路上迈出的第一步。1587年，开普勒进入蒂宾根大学，研读神学、哲学和数学。在那里，他在维特斯·穆勒（Vitus Müller）的指导下学习哲学，并在雅各布·赫尔布兰德（Jacob Heerbrand）（维滕贝格菲利普·梅兰希顿（Philipp Melanchthon）的学生）的指导下学习神学，雅各布·赫尔布兰德（Jacob Heerbrand）在迈克尔·梅斯特林（Michael Maestlin）学生时期也曾担任他的老师。学习期间，他在教授迈克尔·梅斯特林的指导下，学习了克罗狄斯·托勒密体系和哥白尼行星运动体系，并研读了亚里士多德（Aristoteles）著作。那时他成为了哥白尼主义者，在一次学生辩论中，他从理论和神学角度为日心说辩护，认为太阳是宇宙动力的主要来源。1591年，开普勒以第二名的成绩获得天文学硕士学位，开始学习神学。他渴望成为路德教会的牧师，但由于宗教信仰问题而被拒绝任命。

格拉茨（1594-1599年）

学业即将结束时，开普勒被推荐担任格拉茨新教学校的数学和天文学教师。1594年4月，他接受了这一职位，时年22岁。该教会学校是士的里亚的贵族和新教阶层的基地。在教书期间，开普勒开始编写历书并获得报酬。他在历书中预言的1595年冬寒、农民起义、土耳其人入侵等全部应验。这些占星预言的应验，使开普勒“占星师”的名声甚至超过了他天文学家和数学家的名号。

1595年，开普勒认识了一位23岁的漂亮寡妇芭芭拉（Barbara Müller），她是磨坊主的女儿，家庭富裕。起初，她的父亲并不同意她与开普勒接触，之后在朋友的劝说下才同意二人的婚姻。1596年底，开普勒在恩师马斯特林的帮助下出版了其处女作《宇宙的奥秘》，该书被载入法兰克福书目中，于1597年2月上市。1597年4月27日，开普勒与芭芭拉在格拉茨大教堂结婚，二人结婚后曾养育了两个孩子，但是都在婴儿期夭折。后来由于天主教会被控制，在拒绝皈依天主教后，开普勒及其家人被驱逐出格拉茨。

布拉格（1600-1611年）

第谷助手

开普勒曾把自己出版的《宇宙的奥秘》寄赠给丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe），这本书引起了第谷对他的注意，并邀请他做助手。1600年2月4日，开普勒在吉泽鲁河畔贝纳特基会见了第谷和他的助手弗朗兹·腾纳格尔（Longomontanus）和隆戈蒙塔努斯（Benátky nad Jizerou），这里是第谷新天文台的建造地。在接下来的两个月里，他以客人的身份留下来，分析了第谷对火星的一些观测结果。之后，二人就工资和生活安排达成了一致。同年6月，开普勒回到格拉茨的家中接家人到布拉格。同年8月，开普勒来到第谷天文台，与他一同从事天文观测工作。在1601年的大部分时间里，他都受到第谷·布拉赫的直接支持，第谷指派他分析行星观测结果，并撰写一篇小册子来反对第谷的竞争对手。1601年9月，第谷为他争取了一个委托，让开普勒成为他向皇帝提出的新项目合作者。

帝国数学家

1601年10月24日，第谷去世，开普勒接替了他的职位和天文观测资料，并被任命为帝国数学家，负责完成他未完成的工作。因为第谷的资料中火星是最丰富的，所以他开始着重研究火星轨道，并发现按照尼古拉·哥白尼、克罗狄斯·托勒密和第谷提供的三种不同方法，都不能推算出同第谷的观测相吻合的结果，于是他放弃了火星作匀速圆周运动的观念，并试图用别的几何图形来解释。

同时，开普勒作为帝国数学家的主要职责是向皇帝提供占星建议。尽管开普勒对当代占星家精确预测未来或神圣特定事件的占星持悲观态度，但自从他在图宾根求学时起，就一直为朋友、家人和赞助人提供详细占星术。除了为盟友和外国领导人提供星座运势外，皇帝还在政治困难时期寻求开普勒的建议。鲁道夫对他的许多宫廷学者（包括众多炼金术士）的工作都非常感兴趣，并且也关注开普勒在物理天文学方面的工作。

按照官方规定，布拉格唯一可接受的宗教教义是天主教和基督教，但开普勒在宫廷中的地位使他能够不受阻碍地信仰路德教。名义上，皇帝为家人提供了充足的收入，但国库过度扩张，意味着实际上要筹集到足够的钱来履行财政义务是一场持续不断的斗争。1602年，开普勒与芭芭拉又生了一个女儿，名苏珊娜，之后还生了两个儿子，分别是弗里德里、路德维希。可能因为经济困难，他和芭芭拉在家里的生活并不愉快，充满了争吵和疾病。然而，宫廷生活使开普勒与其他著名学者接触，促进了他的天文学工作。

持续创作

1603年，开普勒暂停了其他工作，大部分时间专注于光学理论研究。因为他发现不论是月食或是日食现象都展现了无法解释的现象，例如不可预期的阴影大小、月全食的红色、以及传说中环绕日全食的罕见光线。1604年1月1日，他将撰写的手稿以《天文学的光学须知》为题发表。

1604年9月30日，开普勒观测到一颗超新星（开普勒超新星）的爆发。1607年，他观测到彗星，就是后来的哈雷彗星。后来他提出，来自太阳光的压力可能决定了彗星的尾巴总是指向远离太阳的方向等结论。开普勒经过4年的研究，于1609年发现火星轨道为椭圆形更为准确，于是得出了行星运动第一定律。接着，开普勒又发现火星运行不是匀速的。他发现当火星离太阳较近时，运动得较快（近日点）；当它离太阳较远时，运动得较慢（远日点），并把他的发现收录在了《新天文学书》中。1611年，鲁道夫二世退位，开普勒的天文观察工作被迫中止，他只好离开布拉格前往奥地利。

林茨（1612-1628年）

1612年，开普勒受奥地利林茨当局的聘请，担任数学教师和地图编制工作。在这里，他继续研究行星轨道之间的几何关系。在林茨的地方学校，开普勒薪水拖欠严重，家庭陷入经济危机，加上开普勒的宗教立场问题，不仅《鲁道夫星行表》的编绘工作始终难以推进，他还被天主教会敌视，逐出了圣餐仪式，这也就意味着他被革出了教门。之后，他的两儿一女相继染天花去世，妻子忧思成疾去世。

1613年10月13日，开普勒与一位木匠的女儿苏珊娜结婚。根据开普勒传记说法，这段婚姻比第一段婚姻要幸福的多。二人共育有六个孩子，前三个分别是玛格丽塔·雷吉纳、卡塔琳娜和塞巴尔德，但是都在童年时期去世。后三个孩子活到成年，科杜拉（Cordula）于1621年出生，弗里德玛于1623年出生，希尔德伯特于1625年出生。

1619年，开普勒出版《宇宙和谐论》，并在书中公布了行星周期定律。同年，他首次提出，来自太阳光的压力可能决定了彗星的尾巴总是指向远离太阳的方向。1620年，开普勒的母亲凯瑟琳娜因得罪了当地有权势的人，而被诬陷施行巫术遭到逮捕。开普勒为解救母亲钻研法律，经过一年多的奔走努力，凯瑟琳娜得以释放，后于1621年出狱后不久去世。此时，开普勒被皇帝费迪南德二世任命为皇家数学家，继续编制《鲁道夫星行表》。在此之前，开普勒一直从事理论天文学教科书的编写工作，1618年至1621年陆续完成了《哥白尼天文学概要》等书籍并出版。

1627年，开普勒出版图书《鲁道夫星行表》，该书完成后他主动向奥地利帝国议会辞去了数学家的职务，于1628年7月离开了他居住时间最长、科学成果最丰硕的奥地利首府林茨，前往萨冈。离开林茨之前，瓦伦斯坦将军邀他做顾问，编写星历表。

晚年生活

1629年，开普勒编写了《稀奇的1631年天象》一书，预报了1631年的水星、金星凌日的现象。年底，开普勒完成星历表，此时皇帝费迪南德二世与瓦伦斯坦将军关系紧张。1630年6月，费迪南德二世撤掉瓦伦斯坦的职务，开普勒决定前往雷根斯堡面见皇帝陈述自己的困难，以讨回皇家积欠的薪水。1630年11月，开普勒带着星历表样本和所有证明他财产的文件来到了雷根斯堡，却在到达后的第三天，便高烧不退，一病不起。1630年11月15日，开普勒逝世，终年59岁。1630年11月17日，开普勒的遗体被存放于圣彼得堡公墓。

主要成果

天文学

行星三定律

1601年，开普勒接替第谷的工作研究火星轨道，从而提出开普勒三定律。

开普勒第一定律又称椭圆定律，其内容是：每一行星沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律也称面积律，其内容是：行星与太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。开普勒第三定律也称周期律，其内容是：行星公转周期的平方与它们到太阳的平均距离的立方成正比。

第一定律发展了日心说理论，而且修正了尼古拉·哥白尼等人行星绕太阳做圆周运动的错误。第二定律否认了传统匀速圆周运动的模型，揭示了行星运动时的速度变化和轨道运动之间的规律，也揭示了近地点与远地点卫星的运动速度变化规律。开普勒第三定律不仅适用于行星，也适用于天然和人造卫星的运动，对当代的航天事业具有重要意义。此外，他对行星运动规律的发现为后来牛顿的万有引力概念的诞生奠定了基石。

《鲁道夫星表》

《鲁道夫星表》是根据开普勒的行星运动定律和第谷·布拉赫的观测资料编制的。根据此表可以知道行星的位置，该表是天文史上值得称赞的一部星表，它的完备和准确度远胜过前人。在以后的百余年间，该表一直被天文学家和航海家们奉为至宝。它的形式几乎没有改变地保留到现在。

多面体球形宇宙学说

开普勒凭借数学几何关系建立起一个看似“完美”的宇宙模型，并阐释了柏拉图式的“多面体球形”宇宙学说，开普勒认为太阳系由6颗行星组成，它们之间恰好与5种有规则的正多面体相联系，进而再确定轨道大小。

光学

开普勒对光折射现象进行了实验研究，为后来威理博·斯涅尔得出折射定律起到了一定的启示作用，被誉为近代实验光学的奠基人，其发表的《天文学的光学须知》被认为是现代光学的基础。此外，开普勒提出对控制光强的平方反比定律、平面镜与曲面镜的反射、针孔相机原理以及光学的天文学含义，如视差与天体的可见大小等进行了描述。他还将光学研究延伸到人的眼睛，被神经学家称为意识到图像由眼睛晶状体翻转投射到视网膜上的第一人。

1611年，开普勒提出近代望远镜理论，阐释了双凸凸透镜与双凹发散透镜的理论基础，以及它们如何组合制作出一个伽利略望远镜，以及真实与虚拟影像、直立与倒立影像的概念和焦距对放大与缩小的影响。他还介绍了一个改进型的望远镜，其特点是把目标放在两透镜的公共焦点上，能够测定微小角度，后来被广泛应用于天文望远镜。现在称为天文望远镜或开普勒式望远镜，该望远镜比伽利略·伽利莱的凸凹组合透镜产生更大的放大率。

占星学

开普勒时代，占星学与天文学相对应，并且区分界限还比较模糊，但是随着学科的发展，这两个学科逐渐疏远，直到专业天文学家不再使用占星学。尽管如此，开普勒还是花费了大量的时间试图在更坚实的哲学基础上恢复占星学，撰写了许多占星历法、800多个本命盘以及许多涉及占星学主题的条约。他预言了1618年爆发的布拉格起义和三十年战争，交战双方是开普勒为之占卜的捷克贵族阿尔伯莱希特·华伦斯坦和第谷为之占卜的瑞典国王古斯塔夫二世。此外，他还预言1631年11月7日有水星凌日现象。后来果然在预言的日期，巴黎的天文学家观测到水星通过日面。

数学

开普勒在计算形状体积和寻找酒桶的最佳形状方面的发现是微积分发展的重要一步。辛普森法则是积分学中使用的一种近似方法，在德语中被称为开普勒桶法则（Keplersche Fassregel）。他还为无穷小方法和数值分析的发展做出了贡献，包括迭代近似、无穷小、以及对数和超越方程的早期使用。他制作的对数表与约翰·纳皮尔的表没有什么不同，但并不完全相同，比布尔吉和纳皮尔的表格寿命更长。他是第一个在重要的天文学研究中使用对数计算的人。

主要著作

《宇宙的奥秘》

《宇宙的奥秘》（The Sacred Mystery of the Cosmos）于1956年出版，该书支持了尼古拉·哥白尼的日心说，阐释了柏拉图式的“多面体球形”宇宙学说，并利用数学思维建立了宇宙模型，他把重力界定为天体间彼此的吸引力。后来在分析第谷·布拉赫的观测数据制定行星运行表时，开普勒对此书进行了重新修订和扩展，并于1621年发表了第二版《宇宙的奥秘》。在第二版中，开普勒详细记录了从1595年第一版完成后的25年间他所做的修正和改进。

《新天文学》

《新天文学》（New Astronomy）是一本类似于日记体裁的著作，全书于1607年完稿，1609年正式出版。该书详细地记述了开普勒在火星理论研究中的进展以及思想转变情况，此外，该书阐述了开普勒第一定律和开普勒第二定律。该书第43章节中讲到，开普勒首先将面积定律应用到偏心圆轨道，假设火星从远日点开始沿偏心圆轨道运动，某一时刻运行到某一位置，根据面积定律计算出此时已运行的弧段对太阳所张的角，并把它与观测到的火星的日心经度相比较。

《折光学》

1611年，开普勒出版《折光学》（Dioptrice）一书，阐述了光是怎样成像的，研究了大气折射的计算，并提出了光线和光束的表示法以及近代望远镜理论，他把伽利略望远镜的凹透镜天文望远镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒式望远镜。

《世界的和谐》

1619年，开普勒出版《世界的和谐》（Harmonice Mundi）一书，该书分为五个长章节：第一章是关于正多边形的；第二章是关于正多边形以及数字的一致性；三是音乐中和声学比例的起源；第四是关于占星学中的和谐配置；第五是关于行星运动的和谐性。

《哥白尼天文学概要》

1615年，开普勒完成了《哥白尼天文学概要》（Epitome astronomiae copernicanae）三卷中的第一卷；第一卷（第1-3册）在1617年印刷，第二卷（第四册）1620年印刷，第三卷（第5-7册）在1621年印刷。该书包含了全部三条行星运动定律，并尝试用物理因素解释天体运动。

《鲁道夫星表》

《鲁道夫星表》（Tabulae Rudolphinae）于1627年出版，该书记录了1005颗恒星的位置，根据这份星表来预测天体运行路径的精确度，比以往要高得多。1630年，开普勒逝世。第二年《鲁道夫星表》就顺利通过了第一次实践的重大检验，法国天文学家皮埃尔·伽桑狄根据开普勒的预测成功观测到了水星凌日，他也是历史上第一位观测到水星凌日的人。

其他作品

1600年，《梦》（Somnium）。

1606年，《蛇夫座脚部的新星》（De Stella nova inpede Serpentarii）。

1610年，《第三方干预》（Tertius Interveniens）、《与星空信使对话》（Dissertatio cum Nuncio Sidereo）。

1611年，《六边形雪花》（De nive sexangula）。

1615年，《测量酒桶的新立体几何》（Nova Stereometria doliorum vinariorum）。

1617年，《新星历》（Ephemerides nouae motuum coelestium）。

1619年，《彗星》（De cometis）。

人物评价

“在今天看来，对数的和谐强烈信仰似乎很奇怪，但我们之所以有这种看法，至少有部分原因是当今的科学家已经准备好发现更深奥的数的和谐了。”————托马斯·库恩（美国科学史家，科学哲学家）

“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”————阿尔伯特·爱因斯坦（美国和瑞士双国籍的犹太裔物理学家）

后世纪念

歌剧纪念

1957年，德国作曲家保罗·欣德米特（Paul Hindemith）创作了一部关于开普勒的歌剧《世界的和谐》，在其漫长的创作过程中，他还根据自己的音乐理念创作了一部同名交响曲。欣德米特的歌剧启发了耶鲁大学的约翰·罗杰斯（John Rodgers）和威利·鲁夫（Willie Henry Ruff Jr），他们根据开普勒用音乐表示行星运动的方案创作了合成器作品。009年，菲利普·格拉斯（Philip Glass）根据开普勒的生平创作了一部名为《开普勒》的歌剧，剧本由玛蒂娜·温克尔（Martina Winkel）用德语和拉丁语写成。

命名纪念

2009年，美国航空航天局将新的太空望远镜命名为“开普勒太空望远镜”，其任务主要用来搜寻太阳系外行星，且开普勒望远镜发现的每一颗恒星，都以其名字命名。比如开普勒-10b：这是第一个被确认为类似地球的岩石行星。不过，这颗行星并不适宜人类居住，其日间温度极值超过1300摄氏度，比地球上的岩浆还热。开普勒22b：位于天鹅座，距离太阳600光年，大小是地球的2.4倍，其母星的体积和温度与太阳相似。开普勒-186f：开普勒团队在2014年4月宣布确认它是第一颗与地球大小相仿的疑似宜居行星，位于距离地球约500光年的天鹅座，比地球重10%，由岩石构成。2009年，科学家发现了开普勒452b，该望远镜发现的第452颗确认有至少一个行星的恒星，而452b则意味着这是该恒星系统里发现的第一颗行星。

在新西兰的峡湾国家森林公园，有一座群山以开普勒命名，称为“开普勒山”。欧洲第二艘自动转移飞行器(ATV)国际空间站货运飞船被正式命名为“约翰尼斯2022开普勒”，以此纪念开普勒。此外，为了纪念开普勒的功绩，国际天文学联合会将1134号小行星命名为开普勒小行星。

纪念币

为了纪念开普勒定律诞生400周年，捷克2009年发行了开普勒行星运动定律400周年(1609一2009年)精制纪念银币。在《新天文学》发表400周年之际，德国政府于2009年5月7日发行一枚纪念开普勒的银币，正面为德国国徽上的雄鹰，背面右边为开普勒的侧面写意肖像，左边为通过几何坐标表示的开普勒三大定律，其下为开普勒定律400周年德语字样。