开普勒——揭开了太阳系的奥秘

《警醒！》德国撰稿员来稿

在16世纪，丹麦天文学家第谷·布拉赫发现了一颗彗星。那个年头，欧洲人对彗星又好奇又害怕。因此，当彗星在夜空中出现时，卡塔琳娜·开普勒就叫醒6岁的儿子约翰内斯，一起观看。二十多年后，第谷去世了。皇帝鲁道夫二世任命谁接任皇家数学家一职呢？就是约翰内斯·开普勒。当年才29岁的他，已成了神圣罗马帝国的皇家数学家。开普勒一直担任这个职务，直至去世为止。

开普勒不仅在数学方面极有威望，还在光学和天文学领域享负盛名。开普勒身材矮小，但聪慧过人，而且性格坚毅。就算面对巨大的压力，他也不肯归信罗马天主教，为此饱受歧视。

数学天才

1571年，约翰内斯·开普勒在德国黑林山边一个叫魏尔的小镇出生，家境贫寒。靠着贵族捐赠的奖学金，开普勒得以接受高等教育。他在蒂宾根大学修读神学，打算在路德会当牧师，但他在数学方面天赋极高，备受注意。1594年，奥地利格拉茨的路德会中学有数学老师去世，就聘用了开普勒任教数学。在格拉茨，他出版了第一部重要著作《宇宙的神秘》。

 第谷是同时代的天文学家。他花了许多年时间观测行星，并把观察所得详尽地记录下来。第谷读到《宇宙的神秘》，发现开普勒在数学和天文学方面天资极高，于是邀请他到布拉格附近的伊泽拉（现今捷克共和国境内）一起工作。当时，开普勒遭到宗教歧视，不得不离开格拉茨，就接受了第谷的邀请。就如上文所说，第谷死后，开普勒继承了他未竟的事业。皇室虽少了一位认真严谨的天文观察家，却多了一位数学天才。

光学丰碑

要完全明白第谷的行星观测资料，开普勒就得进一步了解光的折射。行星所反射的光进入地球的大气层时是怎样折射的呢？开普勒的解释记录在“对威蒂略的补充，天文光学说明”一文中。该文对中世纪的科学家威蒂略的书作了补充说明。开普勒的著作令光学向前迈进了一大步。他也是第一个解释视觉如何运作的人。

尽管这样，开普勒一心要钻研的是天文学，不是光学。早期的天文学家相信天空是一个空心的球体，而像钻石般闪闪发光的星就黏附在球体的内表面上。托勒密认为地球是宇宙的中心，哥白尼则相信行星全都绕着静止的太阳运行，第谷就推测行星都绕太阳转，太阳绕地球转。由于从地球的角度来看，其他行星都是天体，所以当时人们认为行星都是完美的，它们的运行轨道必定是正圆，运行速度则恒常不变。开普勒就是在这样的环境下当起皇家数学家来。

开创近代天文学

开普勒利用第谷的行星观测资料，研究宇宙运动规律，再根据自己的观察作出结论。他不光有数学天赋，还有坚强的意志和无穷的求知欲。在研究火星的观测数据时，开普勒做了7200个复杂的运算，可见他的工作能力卓尔不群。

研究期间，首先引起开普勒注意的就是火星。他孜孜不倦地研究观测资料，看出火星绕太阳运行的轨道不可能是正圆，只能是椭圆，太阳则位于椭圆的两个焦点之一，这样才符合观测结果。虽然如此，开普勒意识到，要揭开天体的奥秘，就该研究地球，不该研究火星。马克斯·卡斯帕教授说：“开普勒甚具创意，研究方法别开生面。”举个例， 开普勒运用星表的方式与众不同。他不是用星表来研究火星，而是假设自己站在火星上观看地球。他计算出地球运行的速度跟它至太阳的距离成反比。

开普勒终于明白，太阳不仅是太阳系的中心。太阳像是一块大磁铁，绕自己的轴心转动，其引力影响着其他行星的运行。卡斯帕写道：“这是个伟大的新观念。自那时起，开普勒就一直朝这个方向进行研究，结果有所发现，后来命名为开普勒定律。”开普勒认为，行星和谐并存，全都受一套律则所支配，而研究火星和地球得出的定律，应当适用于所有行星。于是，他作出结论：所有行星都绕太阳运行，轨道为椭圆形，运行速度跟它们至太阳的距离有关。

开普勒的行星运动定律

1609年，开普勒出版了《新天文学》一书。这本书被认为是近代天文学的第一部著作，也是天文学方面最重要的著作之一。这部名作记录了开普勒的头两个行星运动定律。1619年，开普勒在奥地利林茨出版的《宇宙和谐论》，则记录了第三定律。这三大定律阐述了行星运动的基本规律，包括行星绕太阳运行的轨道形状，行星运行的速度，及行星至太阳的距离跟其公转周期的关系。

同期的天文学家对开普勒的发现有什么反应呢？他们没有领会开普勒定律的重要性，有些甚至大感惊讶，不敢置信。这也许怪不得他们。开普勒的著作以拉丁散文诗的风格写成，叫人好像雾里看花，不得要领。但随着时间的推移，开普勒的定律终于被人肯定。大约七十年后，牛顿根据 开普勒的著作，提出牛顿运动定律和万有引力的概念。今天，开普勒是公认的伟大科学家，他使天文学脱离中古世纪的模式，进入近代天文学的发展。

欧洲陷入宗教战争

开普勒阐明第三定律的同一个月，三十年战争爆发。在那段时期（1618-1648年），欧洲发生宗教屠杀和劫掠，死伤枕藉，德国更失去了三分之一的人口。人们广泛搜捕行巫术的人。开普勒的母亲被控行巫术，但得以死里逃生。可是，据说开普勒的薪俸在战前就没有如期发放，战争期间更是被一拖再拖。

开普勒是个路德会信徒，一生受尽宗教迫害和歧视。由于不肯归信罗马天主教，他被迫离开格拉茨，落得一无所有。在伊泽拉，又有人来游说他改信。但开普勒认为崇拜偶像和圣人是不对的，是魔鬼想出来的主意。在林茨，一些路德会信徒相信上帝无所不在，开普勒不认同这个想法，结果不可以参加主的晚餐。（见本刊20,21页）开普勒对宗教歧视深恶痛绝。他认为既然天体和谐并存，人类也该和谐共处。他信念坚定，不把迫害当一回事。他说：“为了信仰，为了基督的荣耀，而要和许多弟兄一起受苦，忍受迫害和羞辱，撇下房屋、田地、朋友、家人，我感到无上光荣。”（《开普勒传》，恩斯特·肯纳著）

1627年，开普勒出版了《鲁道夫星表》。他认为这是自己在天文学方面的重要成就。《鲁道夫星表》和他早期的著作不同。它受到广泛的赞誉，不久就成为天文学家和航海学家必备的指南。1630年11月，开普勒于德国雷根斯堡去世。开普勒死后，他的同事仍不住地惊叹他“对最深邃的秘密，能提出如此确凿的证据，拥有如此渊博的知识”。开普勒揭开了太阳系的奥秘，对这样的赞誉实在当之无愧。

［第26页的精选语句］

开普勒是公认的伟大科学家，他使天文学脱离中古世纪的模式，进入近代天文学的发展

［第27页的精选语句］

开普勒对宗教歧视深恶痛绝。他认为既然天体和谐并存，人类也该和谐共处

［第27页的附栏］

开普勒的占星学和宗教信仰

约翰内斯·开普勒在天文学方面有许多重大发现，因而声名大噪。尽管他摒弃“许多关于星宿主宰命运的说法”，还是写了大量有关占星学的书，可见他多少也受到当日流行的宗教思想影响。

对一般基督教所主张的三位一体，开普勒深信不疑。“他坚信天体几何象征基督教的三位一体，可见的受造宇宙实际反映三位一体这个神圣的奥秘（父上帝是中心；子基督是圆周；圣灵是介于两者的空间）。”（《不列颠百科全书》，英语）

牛顿爵士又怎样看三位一体这个教义呢？跟开普勒恰恰相反，牛顿不接受三位一体。他提出的主要理由是，他曾想要证实教会的说法和有关三位一体的信条，但发现圣经并不支持这个教义。牛顿坚信圣经说耶和华上帝是至高的统治主，而耶稣基督的地位是低于他父亲的。 *（哥林多前书15:28）

［脚注］

［第24-26页的图解或图片］

（排版后的式样，见出版物）

开普勒行星运动定律

今天，开普勒行星运动定律仍被视为近代天文学的开端。行星运动定律的概略如下：

1 所有行星都在椭圆轨道上环绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点

← 太阳 ←

↓ ↑

↓ ↑

行星 ● ↑

→ → →

2 行星越接近太阳，运行的速度就越快。无论行星与太阳的距离是远是近，联系行星和太阳中心的线在相等的时间内扫过相等的面积

行星运行的速度加快

行星运行的速度减慢

A ● B

↓ ↑

↓ 太阳

A

↓

↓

● B

A

→

→

● B

换句话说，假设在每个例子中，行星从A 点运行到B 点的时间 都是相等的，那么阴影部分的面积 也是相等的

3 行星绕太阳运行一周所需的时间，称为行星的公转周期。行星公转周期的平方与它至太阳的平均距离的立方成比例

［图表］

行星 水星

与太阳的距离 *0.387

公转周期（年） 0.241

周期的平方 0.058 *

距离的立方 0.058 *

行星 金星

与太阳的距离 0.723

公转周期（年） 0.615

周期的平方 0.378

距离的立方 0.378

行星 地球

与太阳的距离 1

公转周期（年） 1

周期的平方 1

距离的立方 1

行星 火星

与太阳的距离 1.524

公转周期（年） 1.881

周期的平方 3.538

距离的立方 3.540

行星 木星

与太阳的距离 5.203

公转周期（年） 11.862

周期的平方 140.707

距离的立方 140.851

行星 土星

与太阳的距离 9.539

公转周期（年） 29.458

周期的平方 867.774

距离的立方 867.977

［脚注］

［第24页的图片］

木星

［第24页的图片］

哥白尼

［第24页的图片］

第谷

［第24,25页的图片］

开普勒

［第25页的图片］

牛顿

［第25页的图片］

金星

［第26页的图片］

海王星

［第26页的图片］

开普勒的望远镜和著作

［第27页的图片］

土星

［鸣谢］

Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS

［第24页的图片鸣谢］

哥白尼和第谷: Brown Brothers; 开普勒: Erich Lessing/Art Resource, NY; 木星: Courtesy of NASA/JPL/Caltech/USGS; 行星: JPL

［第25页的图片鸣谢］

金星: Courtesy of NASA/JPL/Caltech; 行星: JPL

［第26页的图片鸣谢］

望远镜: Erich Lessing/Art Resource, NY; 海王星: JPL; 火星: NASA/JPL; 地球: NASA photo