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第22章 约翰·开普勒:勇于攀登高峰的科学家

开普勒,德国天文学家,编制了《鲁道夫星表》,还发现了行星运动三定律,为牛顿发现万有引力定律打下了基础。

开普勒于1571年出身于德国韦尔城的一个富裕家庭。但他是一个先天不足的早产儿,从小体弱多病。

5岁时得了天花,几乎失去生命,最后虽然保住了性命,但留下了满脸的麻子。后来又得了一场猩红热病,使眼睛大受伤害,视力严重下降。开普勒双手残疾,又有胃病,因此病痛的困扰陪伴了他一生。

除了饱受病痛的折磨外,开普勒后来又受到了经济上的压力。虽然出身于一个富裕的家庭,但在少年时,父亲经营失败,濒临破产,一家的生活从此失去了保障。所以开普勒在符腾堡隐修院学了几年德语和拉丁语之后,不得不辍学到小旅店里去打杂跑腿。令他遭受重大打击的是,辍学后不久,他的母亲又被宗教裁判所以女巫的罪名判处了火刑。

严重的挫折和生活的困境并没有把开普勒击垮,他面对逆境迎难而上。1587年,开普勒终于获得了一份奖学金,有机会重新进入校园学习。最终他选择了蒂宾根大学攻读神学,并先后获得了学士和硕士学位。

大学毕业以后,开普勒受聘为格拉茨新教神学院的讲师。本以为从此有一份足以养家糊口的薪水,生活会有转机;然而,生活在他面前又拐了个弯:不久之后,校方以“对教会不忠诚”为由开除了开普勒。

为了摆脱生活上的困境,开普勒找了一个有钱的寡妇为妻。他想得很天真,以为有了钱问题就解决了,他就可以安心进行天文观测了。实际情况正好与之相反,妻子对他进行天文观测的工作并不理解,多方阻挠。当开普勒抓住了他一生中最宝贵的机会,到丹麦天文学家第谷身边当助手和学生时,他的妻子又无中生有地挑拨他和第谷的关系,几乎毁了他的大好前程。

开普勒对天文学的热爱始于在蒂宾根大学上学时期。他当时的天文学老师是宣传哥白尼学说的麦斯特林。受老师的影响,开普勒也成为了哥白尼学说的信徒。在上大学期间,开普勒还有幸听到了布鲁诺热情洋溢地宣传“日心说”的讲演。这更加坚定了他对哥白尼学说的信念。此后,开普勒把大部分精力投入到天文学观测和研究上,这也直接导致了他在格拉茨新教神学院任教时被开除公职的困境。

1596年,开普勒出版了他的第一部天文学著作:《神秘的宇宙构造》,提出了一个用五个正多面体来说明六大行星运行轨迹的模型,并在书中描述了他的宇宙和谐思想。1599年,开普勒把此书奉送给丹麦天文学家第谷,让他进行指正。第谷看过以后对此书大加赞赏,认为他很有创意和眼光,将是一个在天文学上有远大前途的青年,并热情邀请他来自己身边工作。

喜从天降,开普勒万分高兴。1600年,开普勒在布拉格近郊的贝纳泰克天文台拜见了第谷,两人谈得十分投机。此后不久,开普勒就来到了第谷身边,第谷勤于观测、善于观测的工作作风给他留下了极其深刻的印象。

可是开普勒跟随第谷仅仅工作了几个月的时间,第谷就溘然长逝了。他站在恩师病榻前,满含热泪地接受了第谷那份珍贵的科学遗产,发誓要完成恩师的遗愿。

但意外情况又发生了。当开普勒整理第谷遗稿刚有一点眉目的时候,布拉赫家族出面指控他,指责他投奔第谷“别有用心”,是“想掠夺第谷的科学遗产”,控告他犯了“偷窃罪”。开普勒的身心饱受摧残。

开普勒在整理第谷的观测资料时发现,无论是托勒密体系、哥白尼体系还是第谷的二元论体系,都不能与第谷精确的观测资料完全一致。他开始怀疑这些体系的科学性。

由于受“日心说”的影响,开普勒以火星为参照系,机智地算出了地球轨道是一个近似于圆形的椭圆。他还发现地球在近日点时运动得快,在远日点时运动得慢。

开普勒在工作中发现,按照传统理论计算出来的理论值与观察值总是不相符。在70次验算中,他最好的成绩是两者相差8弧分(0.133度)。但他知道第谷观测值的误差肯定不会超过2弧分(0.033度),绝对不会相差8弧分。他对助手说:“既然上天给了我第谷精确的观测资料,我们就必须好好利用它,竭尽全力去发现天体运动的真正规律。这8弧分是不能忽略的,我们必须对传统的天体运行理论进行修正。”

于是,开普勒大胆抛弃了行星运动的正圆形轨道假说,改为椭圆形运动轨道,太阳位于椭圆的一个焦点上(椭圆定律);他还抛弃了行星匀速运动的假说,改为每一个行星与太阳连线在相同的时间里扫过的面积相等(面积定律)。有了这两个假说,情况很快得到了改变,理论值和观测值基本符合了。

十年之后,他又提出了行星运动第三定律,即行星绕太阳公转周期的平方和行星轨道长半径的立方成正比。

开普勒在天文学上做出了重大贡献,但他的晚年生活却极其贫困。1632年,开普勒病逝于雷根斯堡。

开普勒三定律确立了行星运动的法则,人们称赞开普勒是“宇宙的立法者”,是现代天体力学真正的奠基人。开普勒也成为与伽利略、牛顿齐名的大天文学家。

开普勒的一生是贫困、动荡的一生。他能做出如此巨大的成就,关键是他有着不畏艰难、敢于探索、勇于创新的可贵品质,这也是他攀登科学顶峰的奥秘所在。

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