約翰尼斯·開普勒：你需要知道的一切 _開普勒

17世紀早期的天文學家約翰尼斯·開普勒定義了支配行星運動的基本規則。(圖片來源:圖片來自歷史/環球圖像集團，通過Getty Images)
據美國太空網（基思·庫珀）：我們對行星軌道的一切理解的基礎來自德國天文學家約翰尼斯·開普勒的工作。
開普勒在不知道萬有引力的情況下，在他的行星運動三定律中數學地描述了行星圍繞太陽的運動。他的工作是為尼古拉·哥白尼的理論提供證據的關鍵，哥白尼的理論認為太陽，而不是地球，是太陽系的中心。
開普勒什么時候出生的？
約翰尼斯·開普勒于1571年12月27日出生在自由帝國城市韋爾施塔特，即今天的德國斯圖加特附近。他年幼時被當兵的父親遺棄，由母親和祖父母撫養成路德教徒。
雖然小時候被忽視，但他顯示出數學天賦，并目睹了兩次激發他對宇宙興趣的天文事件:1577年的大彗星和1580年的月全食。然而，一場天花讓開普勒雙手殘廢，視力受損。
十幾歲時，開普勒在阿德爾伯格的一所西多會修道院學習，在那里他學習了當時學者使用的語言拉丁語，從而為他成年后的學術研究奠定了基礎。他繼續在德國的圖賓根大學學習哲學。
開普勒、哥白尼和柏拉圖立體
在圖賓根時，開普勒的數學教授邁克爾·梅斯特林向他介紹了哥白尼學說，哥白尼學說是以1543年去世的哥白尼命名的。這個以太陽為中心的模型描述了地球和太陽系中的其他行星是如何圍繞太陽運行的，而不是相反。
16世紀后期，日心說還是一個邊緣理論；大多數人認為地球是萬物的中心。在圖賓根，開普勒學習了這兩種理論，并在閱讀了哥白尼的“關于天體運行的六本書”后，他立即摒棄了地心說，轉而支持日心說。
盡管日心說合乎邏輯，但該模型的觀測證據在16世紀晚期丟失了。開普勒把提供證據作為他一生的使命；他認為這是更好地理解上帝偉大設計的一種方式。在開普勒生活的虔誠時代，即使訴諸邏輯也需要神的解釋。
1594年，開普勒接受了在奧地利格拉茨教數學和天文學的職位，在那里他有了突破。開普勒在黑板上玩幾何圖形的時候，在一個等邊三角形里面畫了一個圓，這個圓與三角形的每邊各有一半接觸。然后他在三角形周圍畫了另一個圓，這個圓與三角形的三個點都接觸。
開普勒認為圓的大小比例與木星和土星的軌道比例相匹配，并想象每個行星的軌道之間是一個“柏拉圖立體”——一個三維多面體。開普勒將此解釋為上帝支持行星軌道的基本幾何設計的一部分。1596年，他在他的書《神秘宇宙》中發表了他的觀點。
開普勒還研究了其他一些在今天看來古怪的想法。例如，1619年，他出版了《世界的和諧》，其中他認為六個已知行星(在天王星和海王星被發現之前)的運動可以用音樂音調來描述，它們的軌道產生了和諧。盡管有這些奇怪的想法，開普勒比他之前的任何人都更精確地模擬了行星的軌道。
開普勒殺了第谷·布拉赫嗎？

捷克赫拉恰尼的第谷·布拉尼和約翰尼斯·開普勒雕像。(圖片鳴謝:比爾·湯普金斯/蓋蒂圖片社)
1600年，開普勒前往布拉格附近的貝納基城堡，為丹麥天文學家第谷·布拉尼和克里斯騰·索倫森·朗格蒙塔努斯擔任觀測助理。通過Longomontanus，開普勒仔細跟蹤了火星在天空的運動，繪制了它的軌道。開普勒注意到，火星離太陽越遠，行星移動越慢，離太陽越近，火星沿軌道移動越快。
這些是開普勒為日心說模型提供觀測證據的第一步。然而，開普勒并不喜歡為布拉赫和隆戈蒙塔努斯工作。一方面，他的上級是地球中心論者，并駁回了開普勒的哥白尼學說。第二，布拉赫不允許開普勒查閱他自己幾十年來對天空的詳細觀察記錄。
第三，貝納基城堡的環境很嘈雜，有很多聚會、酒和音樂，幾乎沒有隱私；尤其是布拉赫，他是個派對動物。開普勒提出了一系列要求，要求更正式的合同和更好的工作條件，但他很快被趕出了城堡。幸運的是，聰明的頭腦占了上風，布拉赫和開普勒和好了，開普勒帶著他的家人回來了。
然而，在1601年，有一個巨大的情節轉折:在一段時間的特別沉重的聚會后，布拉赫去世了。當時，他的死亡被歸咎于腎結石，但在20世紀90年代，有人認為布拉赫可能死于汞中毒，開普勒是布拉赫死亡的嫌疑人。然而，2010年，布拉赫的遺體被挖掘出來，一份毒理學報告沒有發現汞中毒的證據。相反，人們認為第谷死于細菌感染、前列腺癌或膀胱破裂。
開普勒什么時候去世的？
開普勒于1630年11月15日在德國雷根斯堡死于發燒，可能是膀胱感染的結果，享年58歲。
然而，他的名字將永遠留在他的行星運動定律和美國國家航空航天局的開普勒太空望遠鏡中，開普勒太空望遠鏡在2009年至2018年間發現了數千顆系外行星。
開普勒的行星運動三定律

他在1604年看到的開普勒超新星的發光殘骸。(圖片鳴謝:美國國家航空航天局/CXC/SAO/JPL–加州理工學院/MSFC/STScI/歐空局/CSA/SDSS/ESO)
第谷死后，開普勒取代他成為神圣羅馬帝國皇帝費迪南大公的御用數學家。在彌留之際，布拉赫允許開普勒使用他極其保密的天文數據，這些數據在開普勒最著名的工作中被證明是至關重要的:他的行星運動三定律。
1609年，開普勒出版了《新星天文學》，詳細描述了他對火星在天空中運動長達10年的研究。《新星天文學》包含了前兩個定律；第三定律發表在《世界和諧》上。然后，在1621年，開普勒出版了他的巨著《天文學縮影》，完整地描述了這三個定律。
值得注意的是，在不知道支配行星軌道的重力的情況下，開普勒提供了軌道運動的基本數學。后來被認為“發現”了引力的艾薩克·牛頓進一步發展了開普勒定律，開普勒定律是牛頓引力定律的基礎。
行星運動定律并不是開普勒進行的唯一有效的科學工作。1604年，他出版了《天文學光學部分》(Astronomiae Pars Optica)，解釋了他在1580年看到的月食為什么是紅色的(太陽光大氣折射的結果) 。1604年，他目睹了蛇夫座的一顆超新星，這是銀河系中看到的最后一顆超新星。
1608年發明望遠鏡后，開普勒用望遠鏡光學進行了實驗，改進了漢斯·利珀希和伽利略·伽利雷的設計，創造了開普勒望遠鏡，這構成了所有現代折射望遠鏡的基礎。
行星運動第一定律是什么？
行星運動第一定律指出，行星在略呈橢圓形的軌道上運動——微妙的橢圓形而不是圓形。此外，它指出太陽位于橢圓的一個焦點上。對于一個圓，有一個與該圓上所有點等距的中心。相比之下，橢圓沒有等距的中心。相反，橢圓沿著連接橢圓兩個最寬部分的中心線有兩個焦點，分別位于中心的兩側。(這叫做半長軸。)太陽位于這些焦點之一。
行星運動第二定律是什么？
行星運動第二定律與行星在橢圓軌道上離太陽越遠，其運行速度越慢有關。它指出，如果你在一顆行星和太陽之間畫一條線，這條線將在相等的時間內掃過相等的面積。
為了理解這個想法，想象一個太陽在一個焦點上的橢圓，如第一定律所述，并畫一條從太陽到橢圓上的一顆行星的假想線。現在，想象行星在給定的時間內沿著它的橢圓軌道運動，當它和太陽在橢圓的對面時。因為它離太陽更遠，所以移動得更慢。行星和太陽之間的直線將形成一個角度，覆蓋橢圓的某個區域。現在，想象行星在橢圓的另一邊，離太陽最近，移動了同樣長的時間。在這里，它移動得更快，它畫出的角度也更大。但是因為它離太陽更近，所以它覆蓋的總面積是一樣的。
行星運動第三定律是什么？
行星運動第三定律指出，行星軌道周期的平方與軌道半長軸長度的立方成正比。這是一種復雜的說法，即行星完成繞太陽一周的時間(即其軌道周期)與其橢圓軌道的半長軸成正比，半長軸是穿過橢圓中心并連接兩個最寬部分的線。半長軸較大的行星繞太陽運行的時間會更長。換句話說，金星繞太陽一周的時間比水星長，地球比金星長，火星比地球長，等等。
約翰內斯·開普勒常見問題
開普勒最著名的是什么？
約翰尼斯·開普勒是一位天文學家，以他的行星運動三定律而聞名，該定律描述了行星如何繞太陽做橢圓運動。由于美國國家航空航天局的系外行星探測開普勒太空望遠鏡，他的名字也廣為人知。
開普勒發明了什么？
1611年，開普勒發明了一種望遠鏡，現在被稱為開普勒望遠鏡，它使用凸目鏡提供廣闊的視野，而不是通過伽利略的凹透鏡望遠鏡看到的狹窄視野。開普勒式設計成為所有未來折射望遠鏡的基礎
開普勒死時多大？
1530年，開普勒在前往德國雷根斯堡的途中，因短暫的疾病去世，享年58歲，距他的59歲生日還有6周。