约翰内斯·开普勒。一位科学家的传记

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约翰开普勒 （1571 1630）。

死后不久哥白尼根据他的世界系统，天文学家编制了行星运动表。与根据托勒密编制的先前表格相比，这些表格与观察结果的一致性更好。但一段时间后，天文学家发现这些表格与天体运动的观测数据之间存在差异。

对于先进的科学家来说，哥白尼的学说显然是正确的，但需要更深入地研究，找出行星运动的规律。这个问题被伟大的德国科学家开普勒解决了。

约翰内斯·开普勒于 27 年 1571 月 1589 日出生在斯图加特附近的小镇威尔德施塔特。开普勒出生在一个贫穷的家庭，因此，他好不容易才完成学业，并于 XNUMX 年进入蒂宾根大学。在这里，他热情地学习数学和天文学。他的老师梅斯特林教授暗中是哥白尼的追随者。当然，在大学里，梅斯特林按照托勒密的方式教授天文学，但在家里，他向学生介绍了新教学的基础知识。很快，开普勒就成为哥白尼理论的热心和坚定的支持者。

与梅斯特林不同，开普勒没有隐藏他的观点和信仰。哥白尼教义的公开宣传很快就引起了当地神学家的仇恨。甚至在大学毕业之前，1594 年，约翰就被派往奥地利施蒂里亚省首府格拉茨市的一所新教学校教授数学。

早在 1596 年，他就发表了《宇宙秘密》，接受哥白尼关于太阳在行星系统中的中心位置的结论，他试图找到行星轨道距离和球体半径之间的联系，其中规则多面体以一定的顺序刻画，并围绕着这些顺序进行描述。尽管开普勒的这部作品仍然是学术、准科学复杂性的典范，但它为作者带来了名声。丹麦著名天文学家兼观察家第谷·布拉赫对该计划本身持怀疑态度，他对这位年轻科学家的独立思想、天文学知识、技巧和计算毅力表示敬意，并表达了与他会面的愿望。后来举行的会议对天文学的进一步发展具有特殊的意义。

1600 年，抵达布拉格的布拉赫为约翰提供了一份工作，担任他的助理，负责天空观测和天文计算。在此之前不久，布拉赫被迫离开他的祖国丹麦和他在那里建造的天文台，在那里他进行了四分之一个世纪的天文观测。这个天文台配备了最好的测量仪器，而布拉赫本人就是一个最熟练的观察者。

当丹麦国王剥夺了布拉赫维护天文台的资金时，他前往布拉格。布拉赫对哥白尼的学说很感兴趣，但他不是支持者。他提出了他对世界结构的解释；他认为行星是太阳的卫星，认为太阳、月亮和星星是围绕地球旋转的物体，因此整个宇宙中心的位置在地球的后面得以保留。

布拉赫与开普勒合作的时间不长：他于 1601 年去世。在他去世后，开普勒开始利用长期天文观测的数据研究剩余的材料。在研究它们，特别是研究火星运动的材料时，开普勒有了一个了不起的发现：他推导出了行星运动的定律，这成为了天文学理论的基础。

古希腊哲学家认为圆形是最完美的几何图形。如果是这样，那么行星也应该只在规则的圆圈（圆圈）内公转。开普勒得出的结论是，自古以来就形成的关于行星轨道圆形的观点是不正确的。通过计算，他证明了行星不是在圆圈中运动，而是在椭圆中——闭合曲线，其形状与圆形有些不同。在解决这个问题时，开普勒不得不面对一个通常用常数数学方法无法解决的情况。事情归结为计算偏心圆扇形的面积。如果把这个问题翻译成现代数学语言，我们就会得到一个椭圆积分。自然，开普勒无法给出求积问题的解，但在遇到困难之前他并没有退缩，而是通过将无穷多的“已实现”的无穷小数相加来解决问题。这种解决重要而复杂的实际问题的方法代表了现代数学分析史前的第一步。

开普勒第一定律表明太阳不在椭圆的中心，而是在一个叫做焦点的特殊点上。由此可见，行星与太阳的距离并不总是相同的。开普勒发现行星绕太阳运行的速度也不总是相同的：靠近太阳，行星移动得更快，远离太阳，速度更慢。行星运动的这一特征构成了开普勒第二定律。与此同时，开普勒开发了一种全新的数学仪器，在变量数学的发展中迈出了重要的一步。

自 1609 年他著名的“新天文学”出版以来，这两个开普勒定律都已成为科学的财产——这是对新天体力学基础的介绍。然而，这部非凡著作的发布并没有立即引起应有的关注：显然，即使是伟大的伽利略，直到他的时代结束时才接受开普勒定律。

天文学的需要刺激了数学计算工具的进一步发展和普及。 1615 年，开普勒出版了一本相对较小但内容非常丰富的书——《酒桶的新立体测量》，在其中他继续发展他的积分方法并应用它们来求出 90 多个旋转固体的体积，有时甚至相当复杂. 在同一个地方，他还考虑了极值问题，这导致了无穷小数学的另一个分支——微积分。

改进天文计算手段的需要，基于哥白尼系统的行星运动表的编制吸引了开普勒对对数理论和实践的问题。受纳皮尔工作的启发，开普勒在纯算术基础上独立建立了对数理论，并在其帮助下编制了与内珀接近但更准确的对数表，该对数表于 1624 年首次出版，直到 1700 年再版。开普勒是第一个在天文学中使用对数计算的人。他之所以能够完成行星运动的“鲁道夫表”，是因为有了一种新的计算方法。

这位科学家对二阶曲线和天文光学问题表现出的兴趣使他发展了一个普遍的连续性原理——一种启发式技术，它允许你从另一个对象的属性中找到一个对象的属性，如果第一个是通过从第二个传递到极限来获得的。在“对 Vitellius 的补充，或天文学的光学部分”（1604 年）一书中，开普勒研究圆锥曲线，将抛物线解释为双曲线或具有无限远焦点的椭圆——这是数学史上的第一个案例应用连续性的一般原则。随着无穷远点概念的引入，开普勒朝着创建数学的另一个分支——射影几何迈出了重要的一步。

开普勒的一生都致力于为哥白尼的教义进行公开的斗争。 1617-1621年，三十年战争最激烈的时候，哥白尼的书已经在梵蒂冈的“禁书清单”上，而这位科学家本人正经历着人生特别困难的时期，他出版了《《哥白尼天文学论文集》三期共约 1000 页。这本书的标题不准确地反映了它的内容——那里的太阳占据了哥白尼指示的位置，而伽利略不久前发现的行星、月球和木星的卫星则按照开普勒发现的规律循环。它实际上是新天文学的第一本教科书，它是在教会与革命学说特别激烈的斗争中出版的，当时开普勒的老师梅斯特林（Mestlin），一个坚信的哥白尼主义者，出版了一本关于托勒密天文学的教科书！

同年，开普勒还发表了《世界的和谐》，在那里他制定了行星运动第三定律。这位科学家在行星的公转时间和它们与太阳的距离之间建立了严格的关系。事实证明，任何两颗行星的公转周期的平方都与它们与太阳平均距离的立方相关。这是开普勒第三定律。

多年来，他一直致力于编制新的行星表，该表于 1627 年以“鲁道芬表”为题出版，多年来一直是天文学家的参考书。开普勒在其他科学领域也有重要成果，特别是在光学领域。到 1640 年，他开发的折射镜光学方案已成为天文观测的主要方案。

开普勒创造天体力学的工作在哥白尼学说的认可和发展中发挥了重要作用。他为进一步研究，特别是为牛顿发现万有引力定律奠定了基础。开普勒定律仍然保留其意义：在学会考虑天体的相互作用后，科学家们不仅使用它们来计算自然天体的运动，而且最重要的是，还用于人造天体，例如宇宙飞船，见证了出现和我们这一代人的进步。

行星环流规律的发现，需要这位科学家多年的艰苦奋斗。开普勒遭受了他所服务的天主教统治者和信奉路德教徒的迫害，并非他能接受的所有教条，他不得不做出很大的改变。布拉格、林茨、乌尔姆、萨根——他工作过的城市的不完整列表。

开普勒不仅从事行星循环的研究，他还对天文学的其他问题感兴趣。彗星尤其引起了他的注意。注意到彗星的尾巴总是背向太阳，开普勒推测彗尾是在太阳光线的作用下形成的。那时，对太阳辐射的性质和彗星的结构还一无所知。直到 XNUMX 世纪下半叶和 XNUMX 世纪，才确定彗尾的形成确实与太阳的辐射有关。

这位科学家于 15 年 1630 月 XNUMX 日在前往雷根斯堡的旅行中去世，当时他徒劳地试图获得至少一部分帝国国库欠他多年的薪水。

他在发展我们对太阳系的知识方面有很大的贡献。后世的科学家们欣赏开普勒著作的重要性，称他为“天空的立法者”，因为正是他发现了太阳系中天体运动的规律。

作者：萨明 D.K.

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