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開普勒

人物簡介  約翰尼斯 開普勒(Johanns Ke-pler,1571 1630),傑出的德國天文學傢,他發現瞭行星運動的三大定律,分別是軌道定律、面積定律和周期定律,這三大定律最終使他贏得瞭 天空立法者 的美名。開普勒在物理學特別是光學領域作出瞭傑出貢獻。開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方面來看,開普勒的成就甚至給人留下瞭更深刻的印象。他更富於創新精神。他所面臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達,沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。

  
人物生平
  在圖賓根大學畢業後,開普勒在格拉茨研究院當瞭幾年教授。在此期間完成瞭他的第一部天文學著作(1596年)。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤,但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想,於是偉大的天文學傢第谷 佈拉赫邀請他去佈拉格附近的天文臺給自己當助手。開普勒接受瞭這一邀請,1600年1月加入瞭泰修的行列。第谷翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下瞭非常美好的印象,不久聖羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替第谷的皇傢數學傢。開普勒在餘生一直就任此職。
  作為第谷 佈拉赫的接班人,開普勒認真地研究瞭第谷多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。第谷是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學傢.
  開普勒認為通過對第谷的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說正確的:哥白尼日心說,古老的托勒密地心說,或許是第谷本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算,開普勒發現第谷的觀察與這三種學說都不符合,他的希望破滅瞭。
  最終開普勒認識到瞭所存在的問題:他與第谷、拉格茨 哥白尼以及所有的經典天文學傢一樣,都假定行星軌道是由圓或復合圓組成的。但是實際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。
  1600年,開普勒出版瞭《夢遊》一書,這是一部純幻想作品,說的是人類與月亮人的交往。書中談到瞭許多不可思議的東西,像噴氣推進、零重力狀態、軌道慣性、宇宙服等等,人們至今不明白,近400年前的開普勒,他是根據什麼想象出這些高科技成果的。盡管開普勒的書是純幻想作品,但它一定有一些背景來源,比如像畢達哥拉斯的話或古希臘神話。
  就在找到基本的解決辦法後,開普勒仍不得不花費數月的時間來進行復雜而冗長的計算,以證實他的學說與第谷的觀察相符合。
  開普勒對此運動性質的研究,我們可以看到萬有引力定律已見雛形。開普勒在萬有引力的證明中已經證到:如果行星的軌跡是圓形,則符合萬有引力定律。而如果軌道是橢圓形,開普勒並未證明出來。牛頓後來用很復雜的微積分和幾何方法證出。
  開普勒除瞭發明行星運動定律外,還對天文學做出瞭許多小的貢獻。他也對光學做出瞭重要的貢獻。不幸的是他在晚年為私事而感到憂傷。當時德國開始陷入 三十年戰爭 的大混亂之中,很少有人能躲進世外桃源。
  他遇到的一個問題是領取薪水。神聖羅馬皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期,開普勒的薪水被一拖再拖,得不到及時的支付。開普勒結過兩次婚,有十二個孩子,這樣的經濟困難的確很嚴重。另一個問題是他的母親在1620年由於行巫術而被捕。開普勒花費瞭大量的時間設法使母親在不受拷打的情況下獲得釋放,他終於達到瞭目的。
  開普勒於1630年在巴伐利亞州雷根斯堡市去世。在 三十年戰爭 的動亂中,他的墳墓很快遭毀,但行星運行定律永存!
  天才少年
  開普勒學業成績優異。1588年9月25日,他獲得文學學士學位。1591年8月11日,他又通過瞭文學碩士學位考試。這時他想當一名路德教的牧師,所以又留校學習神學。
  在大學裡,開普勒深受秘密傳播哥白尼學說的天文教授麥斯特林的影響。後來他回憶說: 當我在傑出的麥斯特林的指導下開始研究天文學時,看到瞭舊的宇宙理論的許多錯誤。我非常喜歡教授經常提到的哥白尼,在與同學們辯論時我總是堅持他的觀點。 開普勒對天文學和數學有著濃厚的興趣。
  1594年,奧地利的格拉茨新教高級中學的數學教師死瞭,要求圖賓根大學給選派一名後繼者。此時開普勒的神學課程僅有一年就讀完瞭,但校方認為他作教士不夠虔誠,就極力推薦他去格拉茨。他的朋友也勸他放棄神學。同年開普勒到瞭格拉茨中學教數學、天文,後來又教古典文學、修辭學和道德學。
  1596年開普勒在宇宙論方面發表瞭第一本重要的著作:《宇宙的神秘》。在其中他明確主張哥白尼體系,同時也因襲瞭畢達哥拉斯和柏拉圖用數來解釋宇宙構造的神秘主義理論。他在序言中指出: 我企圖去證明上帝在創造宇宙並且調節宇宙的次序時,看到瞭從畢達哥拉斯和柏拉圖時代起就為人們所熟知的五種正多面體,上帝按照這形體安排瞭天體的數目、它們的比例和它們運動間的關系。 他認為土星、木星、火星、地球、金星和水星的軌道分別在大小不等的六個球的球面上,六球依次套切成正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體和正二十面體,太陽居中心。這種假設盡管荒唐,但卻促使開普勒去進一步尋找正確的宇宙構造理論。他把這本書分寄給瞭一些科學名人。丹麥天文學傢第谷 佈拉赫雖不同意書中的日心說,卻十分佩服開普勒的數學知識和創造天才。伽利略也把他引為探索真理的同仁。
  由於反宗教改革運動,使格拉茨中學重新回到天主教的懷抱,新教徒的師生全被趕出瞭校門。開普勒這位新教徒卻因名聲顯赫而被破例復聘。他看到自己的學生盡數散去,不願再回格拉茨,就接受瞭第谷的邀請,於1600年來到佈拉格郊外的天文臺,作第谷的助手。第谷是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學傢,也是世界上前所未有的最仔細、最準確的觀察傢。他當時充任神聖羅馬帝國的皇室數學傢,隨皇帝魯道夫二世住在佈拉格。他的宇宙理論是托勒密體系和哥白尼體系的混合,他認為行星繞太陽旋轉,太陽又率群星圍地球運行。但是第谷對天體方位進行瞭幾十年的觀測,積累瞭大量的精確材料,開普勒在天文學上的偉大發現,就是通過歸納分析這些材料得出的。
  占星傢
  1601年第谷去世,開普勒繼任為皇帝魯道夫二世的禦用數學傢。給他的俸祿隻有第谷的一半,且常常拖欠。他對第谷的遺著作瞭整理,1602年出版瞭第谷的《新天文學》六卷,1603年印行瞭第谷的《釋彗星》。
  1601年開普勒出版瞭《天文學更可靠的基礎》一書,不同意星體決定人的命運的觀點,對占星術持懷疑態度: 如果星相傢有時講對瞭,那應歸功於運氣。 但他仍沒擺脫宇宙的神秘和諧理論。除教數學外,他的一個主要任務就是替皇帝占星算命,這也是他終身從事的職業。在他的遺稿中保存瞭800多張占星圖。他雖不相信這一偽科學,但為瞭謀生隻得如此。
  立法者
  1604年9月30日,開普勒在巨蛇星座附近發現瞭一顆新星(現知是銀河系內的一顆超新星)。他雖視力不佳,仍持續觀測瞭十幾個月。他把觀測結果發表在1607年出版的《巨蛇座底部的新星》一書中,打破瞭星座無變化的傳統說法。這一年他看到瞭一顆大彗星,即後來定名的哈雷彗星。
  當時不論是地心說還是日心說,都認為行星作勻速圓周運動。但開普勒發現,對火星的軌道來說,按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三種不同方法,都不能推算出同第谷的觀測相吻合的結果,於是他放棄瞭火星作勻速圓周運動的觀念,並試圖用別的幾何圖形來解釋,經過四年的苦思冥想,也就是到瞭1609年他發現橢圓形完全適合這裡的要求,能做出同樣準確的解釋,於是得出瞭 開普勒第一定律 :火星沿橢圓軌道繞太陽運行,太陽處於兩焦點之一的位置。發現第一定律,就是說行星沿橢圓軌道運動,需有擺脫傳統觀念的智慧和毅力,在此之前所有天文學傢,包括哥白尼和伽利略在內都堅持古希臘亞裡士多德和畢達哥拉斯的天體是完美的物體,圓是完美的形狀,一切天體運動都是圓周運動的成見。哥白尼知道幾個圓並起來可以產生橢圓,但他從來沒有用橢圓形來描述天體的軌道。當時由於第谷觀測的精確和開普勒的努力,終使日心說向前推進瞭一大步。接著開普勒又發現火星運行速度是不勻的,當它離太陽較近時運動得較快(近日點),離太陽遠時運動得較慢(遠日點),但從任何一點開始,向徑(太陽中心到行星中心的連線)在相等的時間所掃過的面積相等。這就是開普勒第二定律(面積定律)。這兩條定律刊佈在1609年出版的《新天文學》(又名《論火星的運動》)中,該書還指出兩定律同樣適用於其他行星和月球的運動。
  1611年,開普勒的保護人魯道夫被其弟逼迫退位,他仍被新皇帝留任。他不忍與故主分別,繼續隨侍左右。1612年魯道夫卒,開普勒接受瞭奧地利的林茨當局的聘請,去作數學教師和地圖編制工作。在這裡他繼續探索各行星軌道之間的幾何關系,經過長期繁雜的計算和無數次失敗,最後創立瞭行星運動的第三定律(諧和定律):行星繞太陽公轉運動的周期的平方與它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比。這一結果表述在1619年出版的《宇宙諧和論》中。
  多難人生
  開普勒的身世是不幸的。他17歲時父親去世。1620年,他母親,一個酒館老板的女兒,平時愛吵吵鬧鬧,因被指控犯有巫術罪而入獄,他經一年多的奔波才使其得到無罪釋放。開普勒26歲時與一個出身名門的寡婦結婚,舉止傲慢的妻子使他很少感到傢庭溫暖。1613年在前妻死後他又選擇瞭一個貧傢女為伴,感情雖很融洽,無奈經濟上常處於絕望境地。他兩個妻子共生有12個小孩,大多在貧困中夭折。他作為新教徒常受到天主教會的迫害,他的一些著作被教皇列為禁書。
  經濟困苦和操勞跋涉嚴重損害瞭開普勒的健康。皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期,開普勒的薪水被一拖再拖,得不到及時的支付。1630年他有幾個月未得薪俸,不得不親自前往正在舉行帝國會議的雷根斯堡索取。到達那裡後他突然發熱,幾天以後即11月15日,在貧病交困中寂然死去,終年59歲。他被葬於拉提斯本的聖彼得教堂,三十年戰爭的狂潮蕩平瞭他的墳墓,但是業已證明他的行星運動定律是一座比任何石碑都更為久佇長存的紀念碑。

  
開普勒-22b
  開普勒-22b是美國宇航局於2011年12月確認的首顆位於宜居帶的系外行星。它圍繞一顆和太陽非常相似的恒星公轉。
  開普勒-22b直徑約為地球的2.4倍,距離我們約有600光年,人類若使用現有的宇宙飛船飛往開普勒-22b需要2200萬年的時間。盡管其直徑比地球大上不少,但是它的軌道公轉周期約為290天,和地球相差不大。它圍繞運行的中央恒星和太陽非常相似,也是一顆光譜型為G的黃矮星,隻是質量稍小,這顆行星的表面溫度約為70華氏度(相當於21攝氏度),非常適宜生物的居住,也有可能是溫暖的海洋行星。
  不過科學傢們尚不能確定其地表究竟是巖石質地的還是液態或是氣態形式,然而不管如何,這項發現是朝向找到另一顆地球這一最終目標所邁出的堅實一步。人類的探索太空又近瞭一步。至今開普勒-22b的確切質量和表面成分仍不清楚。如果其密度和地球相當 (5.515 g/cm),則質量可能是地球的 13.8 (2.4) 倍[calc 1],表面重力是地球的 2.4 倍[calc 2]。如果其密度和液態水相當 (1 g/cm),其質量是地球的 2.5 倍[calc 3],表面重力是地球的 0.43 倍[calc 4]。該行星可能會被歸類為超級地球,但要視其實際質量而定。
  一開始據估計該行星質量可能達到地球 35 倍,類似海王星的氣體巨行星,但最可能的狀況是地球 10 倍質量的海洋行星。該行星視其實際質量可能是超級地球或 暖海王星 。
  
開普勒三大定律
  開普勒定律是德國天文學傢開普勒提出的關於行星運動的三大定律。第一和第二定律發表於1609年,是開普勒從天文學傢第谷觀測火星位置所得資料中總結出來的;第三定律發表於1619年。這三大定律又分別稱為橢圓定律、面積定律和調和定律。
  開普勒定律是關於行星環繞太陽的運動,而牛頓定律更廣義的是關於幾個粒子因萬有引力相互吸引而產生的運動。在隻有兩個粒子,其中一個粒子超輕於另外一個粒子,這些特別狀況下,輕的粒子會環繞重的粒子移動,就好似行星根據開普勒定律環繞太陽的移動。然而牛頓定律還容許其它解答,行星軌道可以呈拋物線運動或雙曲線運動。這是開普勒定律無法預測到的。在一個粒子並不超輕於另外一個粒子的狀況下,依照廣義二體問題的解答,每一個粒子環繞它們的共同質心移動。這也是開普勒定律無法預測到的。
  開普勒定律,或者是用幾何語言,或者是用方程,將行星的坐標及時間跟軌道參數相連結。牛頓第二定律是一個微分方程。開普勒定律的導引涉及解微分方程的藝術。我們會先導引開普勒第二定律,因為開普勒第一定律的導引必須建立於開普勒第二定律。
  
開普勒望遠鏡
  開普勒太空望遠鏡(Kepler Mission)是美國國傢航空航天局設計來發現環繞著其他恒星之類地行星的太空望遠鏡。使用NASA發展的太空光度計,預計將花3.5年的時間,在繞行太陽的軌道上,觀測10萬顆恒星的光度,檢測是否有行星凌星的現象(以凌日的方法檢測行星)。為瞭尊崇德國天文學傢約翰內斯 開普勒,這個任務被稱為開普勒太空望遠鏡。開普勒是NASA低成本的發現計劃聚焦在科學上的任務。NASA的艾美斯研究中心是這個任務的主管機關,提供主要的研究人員並負責地面系統的開發、任務的執行和科學資料的分析。
  在經過數個月的努力後,美國航天局2013年8月15日宣佈放棄修復 開普勒 太空望遠鏡。 開普勒 由此結束搜尋太陽系外類地行星的主要任務,但它仍可能被用於其他科研工作。
  
人物影響
  美航天局發射 開普勒 太空望遠鏡
  美國東部時間2009年3月6日22時50分(北京時間7日11時50分),世界首個用於探測太陽系外類地行星的飛行器 開普勒 太空望遠鏡在美國卡納維拉爾角空軍基地發射升空。
   開普勒 將升空 三年內或將發現外星 地球
  美國航空航天局(NA《科學美國人》)的開普勒衛星,預計於北京時間3月7日中午11:48分發射升空,將為地外生命的搜尋翻開新的一頁。這項以十六、十七世紀德國天文學傢約翰內斯 開普勒(Johannes Kepler)的名字來命名的探測計劃,將用三年多的時間來研究一批恒星,尋找恒星亮度上微弱的周期性變暗 這是恒星周圍有行星圍繞的跡象。