天空立法者：約翰內斯·開普勒

作者：Nola Taylor Redd

翻譯：螳吉呵呵

審校：山寺小沙彌

來源：中科院物理所

當開普勒在十六世紀末出生時，人們認為太陽系中的行星都繞地球做圓周運動。當然這種看法也會偶爾遇到問題，比如火星有時會表現出反向運行。不過這些問題都可以通過在行星運行軌跡上加上本輪得到解決。但是開普勒不光堅定地認為行星繞太陽運動，並且堅信行星的軌道並不是完美的圓形。他對行星運動的描述成為我們所熟知的開普勒定律。今天，這些定律不光用於描述行星的運動還用於確定衛星和空間站的軌道。

秘密通信

1571年12月，開普勒出生在德國南部位於符騰堡的威爾德斯達特鎮上一個貧苦家庭中。幼年的開普勒體弱多病。但他得到了可以在蒂賓根大學學習的獎學金，在這裡他學習如何做一個路德教會牧師。在大學裡，他接觸到尼古拉·哥白尼的日心說。

1594年，開普勒成為奧地利格拉茨一所神學院的數學教授以及曆法制定者。在空閑時間，他堅持學習天文學和占星術。在1596年，開普勒寫下了對哥白尼學說的公開辯護。考慮到1539年路德教派的創始人馬丁路德在第一次聽到這個理論時嘲弄過它，1615年天主教會也認為這是異端邪說，這在當時是一個危險的舉動。

德國天文學家 約翰內斯·開普勒 來源：《約翰內斯·開普勒作品集》

「開普勒生活在一個正在發生巨大變革的時代。」Dan Lewis說。「宗教領袖不願放棄他們關於天堂的想法。天文學家提出的天空充滿了沿非圓周軌道運行的物體以及其他與地球中心論模型相違背的物理現象威脅著他們的信仰。」

其實，開普勒的動機並不是要顛覆教會。事實上，開普勒對於哥白尼學說的辯護並不是出於數學或者物理上的原因，反而是因為自己的宗教信仰，天體物理學家Paul Sutter寫到。根據Sutter的說法，開普勒這樣認為是由於耶穌基督（son of god）出於基督教信仰的中心位置，所以太陽（sun）才應該是宇宙的中心。

然而，根據Lewis的說法，開普勒和他的第一任妻子Barbara創造了一套用於兩人之間通信的密碼，這才保證了他們之間的通信不至於給自己招來迫害。

第谷·布拉赫 來源：wikipike

為了搜尋關於行星運動最詳細的記錄，開普勒接觸了第谷·布拉赫。第谷是一位富有的丹麥貴族，他在布拉格建立了一座天文台，在那裡他記錄星體的運動並保持著那個時代對太陽系觀測的最精確的記錄。1600年，第谷邀請開普勒和自己一起工作。

第谷所建天文台的地上部分 來源：wikipike

但是，第谷變得多疑並且不願意和他的合作者分享自己的記錄。然而他指定開普勒去解決火星運行的奇怪現象，這是當時天文屆最為棘手的問題。諷刺的是，關於這顆行星的詳細記錄是開普勒解決太陽系運行之謎的必要工具。

1601年第谷去世時，開普勒在第谷家族將這些觀測數據用於牟利之前設法得到了它們。

謀殺嫌疑犯

1901年，科學家打開了第谷的墳墓並聲稱在他的遺骸中發現了水銀。開普勒死後被指控毒害自己的恩人以獲取他珍視的筆記。但第谷的遺骸在2010年被重新取出，測試顯示遺骸中的汞含量並不足以置人於死地。「事實上，對骨骼進行的化學分析表明第谷生命中最後的五到十年並沒有暴露於高濃度水銀中。」 Kaare Lund Rasmussen 在報告中說。

在死後被指控為謀殺犯多年之後，開普勒的冤屈終於被洗清。

開普勒定律

開普勒聲稱八天就能解決火星的問題，但事實上花費了近八年的時間。天文學家長期致力於解決火星周期性逆行的問題。沒有哪個模型可以完美解釋火星的逆行，即使是哥白尼的理論也做不到。

火星逆行 來源：https://www.universetoday.com/22135/mercury-retrograde/

利用第谷精確地觀測數據，開普勒意識到行星其實是沿著橢圓軌道在運行。太陽並不是精確地處於軌道的中心，而是在旁邊一點的位置，也就是被稱為焦點的位置。有的行星，比如地球，運行軌道和正圓非常接近，但是火星的軌道是最為反常的。行星沿橢圓軌道運行被稱為開普勒第一定律。

當地球在火星的後方趕上並超過火星時，這顆紅色的行星就表現出逆行。哥白尼曾經提到在移動中的地球上進行測量可能是導致火星逆行的原因，但是需要在正圓軌道中引入本輪才能解釋這個現象。開普勒意識到兩顆行星如果都沿著橢圓軌道運行就可能出現火星逆行的現象。

開普勒還曾提到行星的運行速度會發生改變。他發現行星在離太陽比較遠時運行速度變慢，在離太陽比較近時運行速度變快。因為他知道行星沿橢圓軌道運行，他斷定太陽和行星之間一根看不見的線在相同的時間內掃過相同大小的面積。這就是1609年發表的開普勒第二定律。

開普勒三定律 來源：http://physicsbuzz.physicscentral.com/2016/02/a-new-ninth-planet.html

開普勒第二定律發表在十年之後，他發現兩顆行星運行周期之間的關係和兩者分別到太陽的距離有關。特別地，兩顆行星周期之比的平方等於兩者軌道半徑之比的三次方。儘管他的前兩條定律關注的是某一個行星的運動，他的第三定律對照了兩個行星的運動。

「正是這條定律，而不是那顆蘋果，啟發牛頓提出萬有引力定律。開普勒完全可以被稱為天體力學的發現者。」NASA在他們的開普勒傳記中說道。

儘管開普勒最著名的發現是關於行星運動的規律，但他對自然科學還有諸多重要貢獻。他是第一個闡明折射光產生視力以及雙眼使人產生深度知覺的人。他發明了近視鏡和遠視鏡並解釋了其中的原理。他第一次闡述了成像和放大率問題並理解了反射的性質。

開普勒稱引力是兩個物體而不是單獨一個物體引起的。同樣的，是月球引起了地球表面的潮汐現象。「如果地球不再吸引海水，那麼海水就會被月亮吸去。」開普勒寫道。「如果月球的吸引力可以到達地球，那麼地球的吸引力也能抵達月球甚至更遠。」

他提出太陽也在轉動並且發明了「衛星」這個詞。他嘗試利用自己關於地球運行引起的視差測量遠處星體的距離。開普勒還用自己的知識計算了耶穌出生的年份。

為了紀念開普勒為我們理解行星運動所做的貢獻，NASA用這位德國天文學家的名字命名了他們的望遠鏡。

https://www.space.com/15787-johannes-kepler.html

本文經中科院物理所微信公眾號授權轉載

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