Johannes Kepler

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Johannes Kepler是德国天文学家、数学家和占星术师。他是17世纪科学革命的关键人物,最著名的是他的行星运动定律,以及他的著作《新天文学》、《世界和谐论》和《哥白尼天文学概要》。这些著作也为Newton的万有引力理论奠定了基础之一。

Kepler是Graz一所神学院的数学教师,在那里他成为了Prince Hans Ulrich von Eggenberg的同事。后来他成为天文学家Tycho Brahe在Prague的助手,最终成为Emperor Rudolf II及其两位继任者Matthias和Ferdinand II的皇帝数学家。他还在Linz教授数学,并担任General Wallenstein的顾问。此外,他在光学领域做了基础性工作,发明了改进版的折射或Keplerian望远镜,并在他的同代人Galileo Galilei的望远镜发现中被提及。他是Rome的Accademia dei Lincei的通讯会员。

Kepler生活在一个天文学和占星术之间没有明确区分的时代,但天文学(数学的一个分支,属于文科)和物理学(自然哲学的一个分支)之间存在着强烈的分界。Kepler还将宗教论证和推理融入他的工作中,这源于他的宗教信念和信念,即上帝按照可理解的计划创造了世界,这个计划可以通过自然理性之光获取。Kepler将他的新天文学描述为"天体物理学",作为"对Aristotle《形而上学》的探索",以及"对Aristotle《论天体》的补充",通过将天文学作为普遍数学物理学的一部分,改造了古代物理宇宙学的传统。

早年生活

Kepler于1571年12月27日(圣约翰传道者节)出生于Free Imperial City of Weil der Stadt(现在是Stuttgart Region的一部分,位于德国Baden-Württemberg州,距Stuttgart市中心西边30 km)。他的祖父Sebald Kepler曾是该市的市长。到Johannes出生时,他已有两个兄弟和一个妹妹,Kepler家族财富走向衰落。他的父亲Heinrich Kepler靠做雇佣兵勉强维持生计,当Johannes五岁时离开了家族。据信他在荷兰的八十年战争中丧生。他的母亲Katharina Guldenmann是一位客栈老板的女儿,是一位医治者和草药医生。Johannes早产,自称小时候虚弱多病。尽管如此,他经常以其非凡的数学天赋给在他祖父客栈里的旅人留下深刻印象。

Kepler在Weil der Stadt的出生地

他在很小的年纪就接触了天文学,并对其产生了贯穿终身的热情。六岁时,他观察了1577年的大彗星,写下他"被母亲带到高处去观看它"。1580年,九岁时,他观察了另一个天文事件——月食,记录他记得被"叫到户外"去看,月球"呈现出深红色"。然而,童年天花为他留下了虚弱的视力和残疾的手,限制了他在天文学观测方面的能力。

1589年,在经历了Maulbronn的文法学校、拉丁学校和神学院后,Kepler进入Tübingen大学的Tübinger Stift。在那里,他师从Vitus Müller学习哲学,师从Jacob Heerbrand学习神学——Jacob Heerbrand是Wittenberg的Philipp Melanchthon的学生,他也教过Michael Maestlin(当时还是学生),直到1590年Heerbrand成为Tübingen的校长。他证明了自己是一位杰出的数学家,并以熟练的占星师著称,为同学们占卜。在Tübingen数学教授Michael Maestlin(1583年至1631年任职)的指导下,他既学了托勒密体系,也学了哥白尼的行星运动体系。他在那时成为了哥白尼主义者。在学生辩论中,他从理论和神学两个角度为日心说辩护,主张太阳是宇宙中主要的动力源。尽管他渴望成为牧师,但在学业即将结束时,Kepler被推荐在Graz的新教学校担任数学和天文学教师。他于1594年4月接受了这个职位,时年23岁。

Graz 1594–1600

《宇宙奥秘》

Kepler第一部主要的天文学著作《宇宙奥秘》(1596)是第一部已出版的哥白尼体系辩护著作。Kepler声称在1595年7月19日在Graz教学时有过一次顿悟,展示了土星和木星在黄道上的周期性会合:他意识到规则多边形在一个内切圆和一个外切圆之间的比例是固定的,他推理认为这可能是宇宙的几何基础。在未能找到与已知天文观测相符的多边形的唯一排列(即使向系统中添加了额外的行星)后,Kepler开始尝试三维多面体。他发现五个柏拉图立体中的每一个都可以被内切和外切于球体;将这些立体嵌套在一起,每个都被包围在一个球体中,一个接一个,会产生六层,对应于已知的六个行星——Mercury、Venus、Earth、Mars、Jupiter和Saturn。通过有选择地排列这些立体——octahedron、icosahedron、dodecahedron、tetrahedron、cube——Kepler发现球体可以被放置在与每个行星轨道相对大小相对应的间隔处,假设行星绕太阳运行。Kepler还发现了一个公式,将每个行星轨道的大小与其公转周期的长度联系起来:从内到外的行星,轨道周期增加的比率是轨道半径差异的两倍。然而,Kepler后来拒绝了这个公式,因为它精度不够。

Kepler在《宇宙奥秘》(1596)中的柏拉图立体太阳系模型

正如他在标题中所表示的那样,Kepler认为他已经揭示了上帝对宇宙的几何计划。Kepler对哥白尼体系热情的大部分源于他对物质与精神之间联系的神学信念;宇宙本身是上帝的形象,太阳对应于圣父,恒星球对应于圣子,两者之间的空间对应于圣灵。他的《宇宙奥秘》第一稿包含了一个广泛的章节,调和了日心说与似乎支持地心说的圣经段落。

在他的导师Michael Maestlin的支持下,Kepler获得了Tübingen大学参议院的许可出版他的稿件,前提是移除圣经注释和添加对哥白尼体系的更简单、更易理解的描述以及Kepler的新想法。《宇宙奥秘》在1596年末出版,Kepler于1597年初收到副本并开始向著名天文学家和赞助人发送;尽管并未被广泛阅读,但它确立了Kepler作为高度熟练的天文学家的声誉。对强大赞助人以及控制他在Graz职位的人的热情献辞,也提供了进入赞助制度的关键途径。

Kepler模型内层部分的特写

尽管细节会根据他后来的工作进行修改,但Kepler从未放弃《宇宙奥秘》中的柏拉图多面体-球体宇宙论。他随后的主要天文学著作在某种意义上只是对它的进一步发展,涉及通过计算球体内行星轨道的偏心率来为球体找到更精确的内外尺寸。1621年,Kepler出版了《宇宙奥秘》的扩展第二版,比第一版长一半多,在脚注中详细说明了他在首次出版后的25年中所取得的更正和改进。

就《宇宙奥秘》的影响而言,它可以被视为现代化Nicolaus Copernicus在《天体运行论》中提出的理论的重要第一步。虽然Copernicus试图在这本书中推进日心制系统,但他诉诸托勒密装置(即本轮和离心圆)来解释行星轨道速度的变化,并继续以地球轨道的中心而非太阳的中心作为参考点——"作为计算的辅助手段,为了不因偏离托勒密太远而使读者感到困惑"。现代天文学在很大程度上得益于《宇宙奥秘》,尽管其主要论点存在缺陷,"因为它代表了将哥白尼体系从仍然附着在其上的托勒密理论残余清除出来的第一步"。

与Barbara Müller的婚姻

1595年12月,Kepler被介绍给Barbara Müller,一位23岁的寡妇,曾结过两次婚,有一个年幼的女儿Regina Lorenz,他开始追求她。Müller是已故丈夫庄园的继承人,也是一位成功磨坊主的女儿。她的父亲Jobst最初反对这桩婚姻。尽管Kepler继承了他祖父的贵族身份,但Kepler的贫困使他成为不可接受的对象。在Kepler完成《宇宙奥秘》的工作后,Jobst让步了,但当Kepler外出处理出版细节时,订婚险些破裂。然而,曾帮助促成这桩婚事的新教官员——施压Müllers家族履行他们的协议。Barbara和Johannes于1597年4月27日结婚。

Kepler及其妻子的肖像
 

在他们婚姻的最初几年,Keplers夫妇生了两个孩子Heinrich和Susanna,两人都在婴幼儿时期夭折。1602年,他们生了一个女儿Susanna;1604年,一个儿子Friedrich;1607年,另一个儿子Ludwig。

其他研究

在《宇宙奥秘》出版后,得到Graz学校检查员的祝福,Kepler开始了一个宏大的计划来扩展和阐述他的工作。他计划了四本额外的书:一本关于宇宙的固定方面(太阳和恒星);一本关于行星及其运动的书;一本关于行星的物理性质和地理特征形成的书(特别关注地球);以及一本关于天体对地球影响的书,包括大气光学、气象学和占星术。

他还寻求了许多他曾发送《宇宙奥秘》的天文学家的意见,其中包括Reimarus Ursus(Nicolaus Reimers Bär)——Rudolf II的皇帝数学家,也是Tycho Brahe的苦敌。Ursus没有直接回复,但重新出版了Kepler献殷勤的信函来推进他关于现在所谓的第谷制系统的优先权争议。尽管有这个污点,Tycho也开始与Kepler通信,首先是对Kepler体系进行严厉但合理的批评;在众多反对意见中,Tycho反对使用从Copernicus取来的不准确数值数据。通过他们的信件,Tycho和Kepler讨论了广泛的天文问题,特别关注月球现象和哥白尼理论——尤其是它的神学可行性。但如果没有Tycho观测站的明显更精确的数据,Kepler无法解决许多这样的问题。

Kepler和Barbara Müller在Gössendorf(Graz附近)的房屋(1597–1599)

相反,他转向了年代学和"和谐"——音乐、数学和物质世界之间的数字关系,以及它们的占星学后果。通过假设地球拥有灵魂——这是他后来会援引来解释太阳如何导致行星运动的属性——他建立了一个推测系统,将占星学方面和天文距离与天气和其他地球现象联系起来。但到了1599年,他再次感到他的工作受到可用数据不准确的限制——正当不断增长的宗教紧张局势也威胁着他在Graz的继续就职。那年12月,Tycho邀请Kepler到Prague访问他;1600年1月1日——在他甚至收到邀请之前,Kepler出发了,希望Tycho的赞助能解决他的哲学问题以及他的社会和财务问题。

Prague 1600–1612

为Tycho Brahe工作

1600年2月4日,Kepler在Benátky nad Jizerou(Prague以东35 km,Tycho新观测站正在建设的地方)会见了Tycho Brahe及其助手Franz Tengnagel和Longomontanus。在接下来的两个月里,他以客人的身份留下,分析了Tycho的一些火星观测数据;Tycho严密保护他的数据,但对Kepler的理论想法印象深刻,很快就允许他更多地获取。Kepler计划根据火星数据测试他在《宇宙奥秘》中的理论,但他估计这项工作需要长达两年的时间,因为他不被允许简单地复制这些数据供自己使用。在Johannes Jessenius的帮助下,Kepl

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