开普勒(Johannes Kepler,1571—1630年)德国天文学家、占星学家、数学家。1571年12月27日生于德国斯瓦比亚地区(今联国巴伐利亚州)的维腾堡。其父是陆军军官,母亲是旅馆老板的女儿。
1587年开普勒进入蒂宾根大学学习神学和数学,由于受到天文学教授迈克尔·马斯特林的影响而信奉哥白尼的学说。1588年开普勒获得了学士学位。1591年获得硕士学位。1594年他被委派到格拉茨市路德派高级中学任数学教师。此后他致力于天文学研究。他是毕达哥拉斯主义者,这对他的天文学研究产生很大影响。
1596年他的最早关于宇宙论方面的著作《宇宙的秘密》出版。在这本著作中,开普勒以哥白尼学说为依据,提出了利用几何图形描述行星轨道的方法。同时指出了哥白尼的“所有行星都绕太阳做匀速圆周运动”的说法过于粗糙。开普勒的行星轨道法是:在行星轨道之间作正多面体,他认为正好存在6颗行星(当时人们只发现了太阳系的6颗行星)和5个正多面体,因而必然存在着某种数学和谐。经过极其复杂和艰苦的运算,终于找到了所谓哥白尼体系中行星轨道之间的这种数学和谐。
他的这项工作受到了第谷的重视,1598年开普勒离开德国到了布拉格。应第谷的邀请,开普勒接替了第谷的工作。他们虽然只相处一年多,但第谷的丰富天文观测资料,为开普勒提供了可靠的行星运动轨道的研究依据。1612年开普勒被新国王辞退移居奥地利林茨担任教授,此期间他发表了,《哥白尼系统天文学摘要》,并出版了《鲁道夫星表》。1628年定居于扎尔根,1630年11月15日病逝于累根斯堡,终年59岁。
开普勒的卓越贡献是建立了行星运动三定律,从而奠定了近代物理学的又一重要理论基础。
1609年开普勒在《新天文学》中首先创立了“开普勒第一和第二定律”。
第一定律又称椭圆轨道定律,定律指出:“所有行星分别沿不同大小的椭圆轨道绕太阳运动,太阳处于椭圆的一个焦点上。”
第二定律又称面积定律,定律指出:“在行星运动时,连接行星和太阳的线,在相等的时间内,永远扫过同样大小的面积。”
1619年,开普勒又在《世界的和谐》一文中,提出了第三定律,即周期定律,这一定律是:行星公转周期的平方与它们轨道半长轴的立方成正比。这几个定律也为牛顿发现万有引力定律,提供了理论基础。
开普勒在天文观察中的又一重要贡献是,于1604年9月30日发现了一颗超新星爆发。为纪念他的这一功绩,以他的名字命名了这颗超新星。
开普勒在物理学其他方面,也有很大贡献。他是近代实验光学的奠基人之一。1611年,他发表了《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。
开普勒对光学的贡献卓著。我们不会忘记伽利略在力学领域中的作用,也就不会忘记开普勒在光学领域中的作用。他根据光从光源以球面辐射出来的现象,提出了光度随距离减弱的平方反比律。他还对光的折射现象进行了深入研究,提出了有关的定律。他对小孔成像等光学现象,从几何光学角度做了说明。
开普勒的实验光学成果具有重大价值。他对透镜和透镜组的成像问题,做了科学的探讨,最早采用了作图的方法,为光学问题的研究,提供了新的手段。在此基础上,他设计了多种望远镜,如利用两块凸透镜的望远镜等。开普勒还最早从光学角度成功地研究了人的视觉问题,开创了研究视觉理论的正确道路。他否定了前人认为视觉是由眼睛发射出光的错误观点,提出了物体的光通过眼睛的水晶体,在视网膜上成像的观点。进而,他对近视眼和远视眼的问题,也给予了很好的解释。
开普勒对数学的研究也很有造诣。他是实验与理论紧密结合的优秀科学家。
在天文学上,“日心说”和“地心说”一直是争论不下的话题。公元2世纪,希腊人托勒密吸收了欧多克斯和亚里士多德的“地心说”的核心内容,完成了自己的宇宙结构学说,把“地心说”推向了顶峰。他用大大小小80个圆周轨道来描述日、月、星辰的运动,取得了成功。运用他的模型能预言行星的运动位置,还能解释行星亮度的变化。因此,他的理论直到文艺复兴时代为止,一直被认为是标准天文学,统治西方天文学竟长达15个世纪!
托勒密
托勒密(公元90—168年)是出生在埃及的希腊人,公元127年他到亚历山大求学。在那里他学会了天文观察和大地测量。他很重视进行系统的天文观察。托勒密在天文学方面的代表著作是《天文学大成》,共13卷。在这部巨著中,他确定了1年的时间;给出了计算月食和日食的方法;编制了1000多颗恒星的位置表。托勒密创造的宇宙结构说能描述行星的运动和推算他们的位置,但相当复杂,就是在现代,他的理论也只有专业人员才能看懂。
托勒密的“地心说”后被教会所利用,曾被用作迫害自然科学家的工具,一度起到了阻碍科学发展的作用。但这一点跟托勒密本人毫无关系。
托勒密在光学方面也有过研究。记录过入射角和相应的折射角的数值,但没有找到折射定律。托勒密在地理方面也有研究。
到了中世纪,西方古代科学开始衰落。直到文艺复兴时代,自然科学重新发展起来。
经典力学是在众多科学家取得的成果的基础上,由牛顿集大成而建立的。它首先是从推翻托勒密的地心说和批判亚里士多德的一些错误力学观点上拉开序幕的。
16世纪航海大发展
15~16世纪,由于地理大发现,促进航海事业急速发展。航海需要精确测定船位,这又推动了天文学的发展。随着天文观察资料的积累,人们提出了托勒密体系无法回答的新问题。波兰的天文学家哥白尼对天象进行了长期的观测,发现了一些问题,打算修订天文学。为了修订天文学,他读了大量古希腊的哲学著作,希望从中了解古代人们研究天体运动的各种各样的观点,在古人朴素的日心地动观点启发下,他开始考虑地球的运动问题,终于写出了划时代的科学巨著《天体运行论》。在《天体运行论》一书中,哥白尼提出了“日心说”。
哥白尼(1473—1543年)受舅父的影响,他从小酷爱自然科学知识。1491年他进克拉科夫大学和意大利的大学学习。1503年回到波兰。他在工作之余,倾心于天文学的观察、计算和研究,三十年如一日,终于完成了科学巨著《天体运行论》。哥白尼的“日心说”彻底动摇了中世纪宗教世界观的基础,把科学从神学和经院哲学中解放了出来,导致了自然科学的变革。
哥白尼的“日心说”引起了教会的恐慌,教会宣布“日心说”为“邪说”,又把《天体运行论》列为禁书,对哥白尼以及他的支持者进行迫害,许多人被迫害至死,其中意大利著名天文学家布鲁诺因宣传“日心说”被罗马教会活活烧死。
继哥白尼之后,瑞典科学家第谷观察天体的运动,特别是行星的运动,记录了大量的数据。第谷是一个工作十分认真的人,因此他观察记录的数据十分精确。第谷原打算用这些数据重新修订星表,但一直到死都未能如愿。他临死之前,把这些资料交给了他的助手和合作者开普勒。开普勒是一个“日心论”者,而且有很好的数学修养。开普勒精心整理第谷的记录,编制出了当时有史以来最精确的天文表。按第谷的遗愿,这个天文表取名为《鲁道夫天文表》,以表达第谷对奥地利国王鲁道夫的知遇之恩。
开普勒在编制天文表的同时,利用第谷观察行星运动记下的数据,研究火星的运动。经过反复的假设、计算论证,终于发现火星绕日运行的轨道是一个椭圆。不久他把这个发现推广到所有当时已知的行星,于1609年提出了以他名字命名的开普勒第一定律、第二定律。开普勒第一定律指出太阳系中所有行星绕日运动的轨道都是一个椭圆。太阳位于这些椭圆的一个焦点上。第二定律指出行星运动时,连接太阳和行星的矢径在相等的时间内扫过的面积都相等。10年之后,开普勒从研究行星运动周期跟轨道参数的相互关系中,又发现第三个定律——行星公转周期的平方跟它们轨道的长轴的立方成正比。开普勒的成就给科学家研究问题的方法提供了一个启示:科学研究工作不能停留在单纯的观察现象、记录数据上,必须对观测得到的数据进行细致的分析、计算,才能找出事物运动的内部规律。
他们的发现和科学贡献为经典力学的发展起到了很好的奠基作用。