数学家开普勒


  •   开普勒(1571-1630)是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科学史家称为“天上的立法者”。

      开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭,开普勒是一个早产儿,体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸,四岁时患上了天花和猩红热,虽侥幸死里逃生,身体却受到了严重的摧残,视力衰弱,一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神,但一直坚持努力学习,成绩一直名列前茅。

      1587年进入蒂宾根大学,在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下,很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后,开普勒获得了天文学硕士的学位,被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来,由于学校被天主教会控制,开普勒离开神学院前往布拉格,与卓越的天文观察家第谷一起专心地从事天文观测工作。正是第谷发现了开普勒的才能。在第谷的帮助和指导下,开普勒的学业有了巨大的进步。第谷死后,开普勒接替了他的职位,被聘为皇帝的数学家。然而皇帝对他十分悭吝,给他的薪俸仅仅是第谷的一半,还时常拖欠不给。他的这一点点收入不足以养活年迈的母亲和妻儿,因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断过自己的科学研究,并且在这种艰苦的环境下取得了天文学上的累累成果。

      早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响,以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的五个正多面体,跟当时巳知的六颗行星的轨道套迭,从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有六颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表,定名为《宇宙的秘密》。这个设想虽带有神秘主义色彩,但却也是一个大胆的探索。

      第谷最大的天文学成就就是发现了开普勒。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒,再三叮嘱开普勒要继续他的工作,并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研究工作。

      后来,开普勒在伽利略的影响下,通过对行星运动进行深入的研究,抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说,逐步走上真理和科学的轨道。

      对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中,火星的资料是最丰富的,而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始,开普勒用正圆编制火星的运行表,发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后,他找到了与事实较为符合的方案。可是,依照这个方法来预测卫星的位置,却跟第谷的数据不符,产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针0.02秒瞬间转过的角度。开普勒知道第谷的实验数据是可信的,那错误出在什么地方呢?

      正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。他敏感的意识到火星的轨道并不是一个圆周。随后,在进行了多次实验后,开普勒将火星轨道确定为椭圆,并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆,断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关。

      这样就得出了关于行星运动的第二条定律:“行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。”这两条定律,刊登于1609年出版的《新天文学》一书。书中他还指出,这两条定律同样适用于其他行星和月球的运动。1612年,开普勒的保护人鲁道夫二世被迫退位,因此他也离开布拉格,去奥地利的林茨。当地专门为他设立了一个数学家的职务。

      经过长期繁复的计算和无数次失败,他终于发现了行星运动的第三条定律:“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一结果发表在1619年出版的《宇宙和谐论》中。行星运动三定律的发现为经典天文学奠定了基石,并导致数十年后万有引力定律的发现。

      1604年9月30日在蛇夫座附近出现一颗新星,最亮时比木星还亮。开普勒对这颗新星进行了17个月的观测并发表了观测结果。历史上称它为开普勒新星(这是一颗银河系内的超新星)。1607年,他观测了一颗大彗星,就是后来的哈雷彗星。

      不仅在天文学上,开普勒在在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像,并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒研究过光的折射问题,认为折射的大小不能单单从物质密度的大小来考虑。例如油的密度比水的密度小,而它的折射却比水的折射大。1611年,开普勒发表了《折光学》一书,阐述了光的折射原理,为折射望远镜的发明奠定了基础。他最早提出了光线和光束的表示法,还成功地改进了望远镜。开普勒还对人的视觉进行了研究,纠正了以前人们所认为的视觉是由眼睛的发射出光的错误观点。他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的水晶体投射在视网膜上,并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。1604年发表《对威蒂略的补充--天文光学说明》。1611年出版《光学》一书,这是一本阐述近代望远镜理论的著作。他把伽里略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜,这种望远镜被称为开普勒望远镜。

      开普勒还发现大气折射的近似定律,用很简单的方法计算大气折射,并且说明在天顶大气折射为零。他最先认为大气有重量,并且正确地说明月全食时月亮呈红色是由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上而造成的。

      他出版的《哥白尼天文学概要》叙述他对宇宙结构和大小的观点;在《彗星论》中,他指出彗尾总是背着太阳,是因为太阳光排斥彗头的物质所造成;1627年出版的《鲁道夫星表》是根据他的行星运动定律和第谷的观测资料编制的。根据此表可以知道行星的位置,其精度比以前的任何星表都高,直到十八世纪中叶,它一直被视为天文学上的标准星表。

      他于1629年出版的《稀奇的1631年天象》中预言1631年11月7日水星凌日现象,12月6日金星也将凌日,果然如期观测到了水星凌日,而金星凌日西欧看不到。1630年,他几个月领不到薪水,经济困难,不得不亲自前往雷根斯堡索取。在那里突然高烧,几天后在贫病交困中去世。

      晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。1625年,他写了题为《为第谷.布拉赫申辩》的著作,驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击,因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的着作列为禁书。1626年,一群天主教徒保围了开普勒的住所,扬言要处决他。后来,开普勒因为曾担任皇帝的数学家而幸免遇难。

      1630年11月,因数月未得到薪金,生活难以维持,年迈的开普勒不得不亲自到雷根斯堡索取。不幸的是,他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日,开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时,除一些书籍和手稿之外,身上仅剩下了7分尼(1马克等于100分尼)。

      开普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂,战争过后,他的坟墓已当然无存。但他突破性的天文学理论,以及他不懈探索宇宙的精神却成为了后人铭记他的最好的丰碑。

      开普勒所处的年代正值欧洲从封建主义社会向资本主义社会转变的时期。在科学与神权的斗争中,开普勒坚定地站在了科学的一边,用自己孱弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念,推动了唯物主义世界观的发展,使人类科学向前跨进了一大步。马克思
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