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{{Infobox_Scientist

|name = 约翰内斯·克卜勒

== 早年 ==

约翰内斯·开普勒于1571年12月27日，也就是当年的圣若望庆日，在威尔（如今为德国巴登-符腾堡州的一部分，位于斯图加特市中心以西30km）的帝国自由城市出生，在他前面有两个哥哥和一个姐姐。他的祖父[[西博尔德·开普勒]]（Sebald K.）曾经是这个城镇的[[市长]]，但是约翰内斯·开普勒出生时，开普勒家族的家业已經开始衰落。他的父亲[[海因里希·开普勒]]（Heinrich K.）为了营生，当了一名危险的[[雇佣兵]]，在约翰内斯五岁的时候就离开了家庭，据说后来死于[[荷兰]]的“[[八十年战争]]”。约翰内斯的母亲[[凯瑟琳那·古尔登曼]]（K. Guldenmann）是一名[[旅店]]老板的女儿，同时是一名[[医生]]和[[草药商]]。约翰内斯是[[早产儿]]，孩提时体弱多病。然而，他超常的[[数学]]才能经常给他外祖父旅馆内的客人留下深刻的印象。<ref>Caspar. ''Kepler'', pp.  29–36; Connor. ''Kepler's Witch'', pp.  23–46.</ref>

== 格拉茨（1594-1600年） ==

=== 《宇宙的神秘》 ===

开普勒的第一部主要天文学作品——《宇宙的神秘》是第一部捍卫哥白尼学说、公开发表的作品。开普勒声称在格拉茨教学的1595年7月19日顿悟，在黄道十二宫图中展示了土星和木星的定期相遇：他意识到规则的多边体按照规定的比率与一个内切圆和外切圆相连，他推测这可能是宇宙的几何基础。在寻找符合已知的天文学发现（甚至使用加入该系统的额外星球）、独特排列的多面体的努力失败后，开普勒开始用立体的多面体进行实验。他发现五个柏拉图多面体中的每一个都可通过球体进行独特的内切和外切；先构建这些多面体，每一个多面体装在一个球体里，这个球体又装在另一个多面体内，每个多面体可产生6层，分别对应6个已知的星球——水星、金星、地球、火星、木星和土星。对这些多面体进行正确的排序——八面体、二十面体、十二面体、四面体和六面体，开普勒发现假设这些星球环绕着太阳，那么球体可以按照一定的间距进行排列，间距对应于每个星球路径的相对尺寸（在已知的天文学观测结果的精确度范围内）。开普勒还发现了一个公式，将每个星球的轨道大小与其轨道周期进行关联：从里星球到外星球，轨道周期的增长率是轨道半径差的两倍。然而，开普勒后来又否定了这个公式，因为这个公式不够精确。<ref>Caspar. ''Kepler'', pp. 60–65; see also: Barker and Goldstein, "Theological Foundations of Kepler's Astronomy."</ref>

正如他在标题中所表明的，开普勒认为他已经揭示了上帝对宇宙的几何规划。开普勒对于哥白尼学说的许多热情源于他对于物质与精神之间的联系的神学信仰；宇宙本身是上帝的一个影像，太阳对应圣父，星球对应圣子，它们之间的间隔对应圣灵。《宇宙的神秘》的最初手稿包含了一延伸章节，用以调和太阳中心说与貌似支持地球中心说的圣经选段。<ref>Barker and Goldstein. "Theological Foundations of Kepler's Astronomy," pp. 99–103, 112–113.</ref>

=== 与芭芭拉·穆勒的婚姻 ===

1595年12月，开普勒被介绍给了芭芭拉·穆勒（B. Müller），一个带着幼小女儿——吉玛·德威纳维尔德（Gemma van Dvijneveldt）的23岁寡妇（结过两次婚），并开始向她求爱。穆勒不但是她前两任丈夫财产的女继承人，同时也是一名成功磨坊老板的女儿。尽管开普勒有着高贵的身份，但是她父亲约布斯特（Jobst）最初也反对他们的婚姻；虽然开普勒继承了他祖父的高贵身份，但是他的贫困使他与芭芭拉不般配。开普勒完成《宇宙的神秘》之后，约布斯特动了怜悯之心，但是这个婚约差点告吹，因为开普勒外出专注于出版的各项事宜。然而，帮忙建立该婚配的教会官员强迫穆勒遵守他们的协议。1597年4月27日，芭芭拉和开普勒结婚。<ref>Caspar, ''Kepler''. pp. 71–75.</ref>

在他们婚姻的早年，他们生育了两个子女（海因里希与苏珊娜），但是都在襁褓里夭折了。1602年，他们又生了一个女儿（苏珊娜），1604年，生了一个儿子（弗里德里希），1607年又生了一个儿子（路德维格）。<ref>Connor. ''Kepler's Witch'', pp. 89–100, 114–116; Caspar. ''Kepler'', pp. 75–77</ref>

=== 其它研究 ===

== 布拉格（1600-1612年）==

=== 效力于第谷·布拉赫 ===

1600年2月4日，开普勒在[[伊泽拉河畔贝纳特基]]（Benátky nad Jizerou，距离布拉格35km）见到了第谷·布拉赫及其助手弗朗茨·滕纳格尔（Franz Tengnagel）与朗高蒙田纳斯（Longomontanus）。伊泽拉河畔贝纳特基是[[第谷]]的新天文台所在地。开普勒以客人的身份在这里住了两个月，分析了[[第谷]]的一些火星发现；[[第谷]]严密地保护着他的数据，但是对开普勒的理论思想印象深刻，所以之后给了他更多接近的空间。开普勒计划借助火星数据测试他在《宇宙的神秘》中的理论<ref>[http://knol.google.com/k/the-sky-before-the-telescope# Using Tycho's data, see 'Two views of a system' ] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110721014442/http://knol.google.com/k/the-sky-before-the-telescope |date=2011-07-21 }}</ref>，但是他预计这项工作将花费2年时间（因为[[第谷]]不允许他单纯的将资料拷贝作为己用）。在约翰内斯·杰森纽斯（Johannes Jessenius）的帮助下，开普勒尝试与第谷协商一个更为正式的雇佣安排，但是协商在激烈的争吵中破裂。于是开普勒在4月6日就前往布拉格。之后，开普勒和第谷很快就和解了，并最终就工资和生活安排达成了协议，6月，开普勒回到格拉茨去接他的家人。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 100–08.</ref>

=== 《天文学的光学需知》 ===

在开普勒继续慢慢分析第谷的火星观测数据——现在他可以拥有整体的资料——并开始了鲁道夫星表的缓慢编制过程的同时，他还从其1600年关于月球的文章中拾起了对光学规律的研究。不论是月食或是日食现象都展现了无法解释的现象，例如不可预期的阴影大小、月全食的红色、以及传说中环绕日全食的罕见光线。大气折射的相关议题适用于所有天文学观测。1603年的大部分时间，开普勒暂停了他的其它工作，而专注于光学理论研究；并由此撰写的手稿在1604年1月1日呈给了皇帝，并以《天文学的光学需知》为题发表。文中，开普勒对控制光强的平方反比定律、平面镜与曲面镜的反射、针孔相机原理以及光学的天文学含义，如视差与天体的可见大小，进行了描述。他还将光学研究延伸到人的眼睛，并被神经学家广泛认为是意识到图像由眼睛晶状体翻转投射到视网膜上的第一人。这个困境的解决办法对于开普勒来说并不是特别重要，因为他并不将其视为属于光学的范畴，虽然他确实表明，影像由于“精神运动”在“脑穴”中得到修正<ref>Finger, "Origins of Neuroscience," p 74. Oxford University Press, 2001.</ref>。今天，《天文学的光学需知》通常被认为是现代光学的基础（虽然它明显地没有包含折射定律）<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 142–146</ref>。关于投影几何学的根源，开普勒在他作品中引入了数学实体连续变化的概念。他主张到，如果一个圆锥截面的焦点可以沿着连接焦点的线运动，那么这个几何形状会把一个焦点改变或退化成另外一个。因此，当一个焦点沿着无穷大运动时，椭圆形就变成了一条抛物线，当一个椭圆的两个焦点互相融合时，就形成了圆圈。当一条双曲线的焦点互相融合时，该双曲线就变成两条直线。他还假设如果一条直线无限延伸，它将在无穷远的一个点碰到自己，因而具备形成一个大圆的属性<ref>Morris Kline, Mathematical Thought from Ancient to Modern Times, p 299. Oxford University Press, 1972.</ref>。他的这个主张后来被帕斯卡、莱布尼兹、蒙日（Monge）和彭斯乐（Poncelet）等人所运用，被称为几何连续性并成为连续性定律或原理。

=== 超新星1604 ===

1604年10月，出现了一颗明亮的新晚星（超新星1604），但是开普勒不信谣言，直至他亲眼看到了这颗晚星。他开始系统的观察这颗新星。从星相学的角度看，1603年的结束标志着火象三星座的开始，亦即周期800年的大交汇期的开始；占星家们将之前两次这种时期与查理曼大帝的崛起（大约800年前）和耶稣的诞生（大约1600年前）联系起来，所以他们期待有重大预兆的事件出现，特别是关于皇帝。正是在这种情况下，开普勒作为皇家数学家与占星家在其两年后《关于新星》的文中描述了这颗新星。文中，开普勒在对其他许多占星方面的解释与流传持怀疑态度的同时，专注于描述这颗新星的天文学属性。他注意到了其逐渐减弱的亮度，推测它的起源，并根据视差的缺失论证它属于固定的星体，进一步削弱了天体永恒性的教义（自亚里斯多德以后人们一直认可这样的观念：天体是完美与永恒的）。一颗新星的诞生意味着天体的可变性。在附录中，开普勒还讨论了波兰历史学家劳伦休斯·苏斯莱格（Laurentius Suslyga）最近的年代学工作；他计算到，如果苏斯莱格是正确的，年表提前四年，那么伯利恒之星——类似于今日的新星——将已经正好碰到了周期800年的第一次大交汇。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 153–157</ref>

=== 《新天文学》 ===

根据开普勒对宇宙的宗教观点，太阳（父神的象征）是太阳系的动力来源。作为物理基础，开普勒通过类比汲取了[[威廉·吉爾伯特|威廉·吉尔伯特]]（W. Gilbert）《论磁石》（1600年）中地球磁性灵魂的理论以及自己关于光学研究的工作。他假设太阳发射的动力（或动力个体）<ref>On motive species, see: Lindberg, "The Genesis of Kepler's Theory of Light," pp. 38–40</ref>随着距离减弱，当行星靠近或远离太阳，运动会加快或减慢<ref>"Kepler's decision to base his causal explanation of planetary motion on a distance-velocity law, rather than on uniform circular motions of compounded spheres, marks a major shift from ancient to modern conceptions of science.... [Kepler] had begun with physical principles and had then derived a trajectory from it, rather than simply constructing new models. In other words, even before discovering the area law, Kepler had abandoned uniform circular motion as a physical principle." Peter Barker and Bernard R. Goldstein, "Distance and Velocity in Kepler's Astronomy", ''Annals of Science,'' 51 (1994): 59–73, at p. 60.</ref><ref>Koyré, ''The Astronomical Revolution'', pp. 199–202</ref>。可能这个设想的前提需要一种修复天文学秩序的数学关系。根据对地球和火星远日点和近日点的测量，他创立了一个公式。根据这个公式，行星的运动速度与它距太阳的距离成反比。然而，想要在整个轨道周期证实这种关系，需要进行非常广的计算；为简化计算任务，1602年底，开普勒运用几何学重新阐述了这个比例：行星在同样的时间内扫过同样的面积——开普勒关于行星运动的第二定律。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 129–132</ref>

之后，他运用几何速率法则，假定轨道是蛋形轨道，开始计算火星的整体轨道。在经历大约40次的尝试失败以后，1605年初，他最终偶然想到了椭圆形这个概念，他之前认为这个解决方法太简单，以至于早期的天文学家们都忽略了{{citation needed|date=February 2014}}。在发现椭圆形轨道适用于火星的数据之后，他立即推断出所有行星都以太阳为中心按照椭圆形运动——开普勒关于行星运动的第一定律。然而，他没有聘用计算方面的助手，所以他未将该数学分析扩展到火星之外。当年年底，他完成了《新天文学》的手稿，但是由于第谷天文台使用（第谷后人的财产）的法律争议，直到1609年才发表。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 131–140; Koyré, ''The Astronomical Revolution'', pp. 277–279</ref>

=== 《折射光学》、《梦》及其它著作 ===

在《新天文学》完稿之后的几年，开普勒大部分的研究都集中在《鲁道夫星表》的编撰以及基于该星表的一整套星历（对行星和星位的具体预言，但是这两项工作在多年之后都没完成）。他还尝试（不成功）与意大利天文学家乔瓦尼·安东尼奥·马吉尼（Giovanni Antonio Magini）的合作。他的其它作品涉及年代学（特别是耶稣一生中事件的日期记录）与占星学[特别是对轰动性的大灾难预言的批判，比如哈利萨耶斯·罗斯林（Helisaeus Roeslin）的预言]。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 178–81</ref>

正当开普勒和罗斯林忙于发表一系列攻击与回击时，菲利普·法赛里尔斯医生（P. Feselius）发表了一部作品，对占星学进行了全面地反驳（特别是罗斯林的作品）。一方面是出于对其所认为是占星学的多余的回应，另一方面是出于对过度的反对声音的回应，开普勒撰写了《第三方调解》。表面上，这篇文章——主要是给罗斯林和法赛里尔斯的普通赞助人看的——是对争论的学者之间的一次中立调解，但是文中体现了开普勒对占星学价值的基本观点，文章包含了行星与个体精神之间互动的一些假设机制。开普勒认为多数传统的占星学法则与方法是被“一只勤劳的母鸡”扒烂的“臭粪”，但是实际上认真的科学的占星家“偶尔会找到谷粒，甚至是珍珠或金块”。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 181–85. The full title is ''Tertius Interveniens, das ist Warnung an etliche Theologos, Medicos vnd Philosophos, sonderlich D. Philippum Feselium, dass sie bey billicher Verwerffung der Sternguckerischen Aberglauben nict das Kindt mit dem Badt aussschütten vnd hiermit jhrer Profession vnwissendt zuwider handlen'', translated by C. Doris Hellman as "''Tertius Interveniens'', that is warning to some theologians, medics and philosophers, especially D. Philip Feselius, that they in cheap condemnation of the star-gazer's superstition do not throw out the child with the bath and hereby unknowingly act contrary to their profession."</ref>

1610年的头几个月，伽利略用他强大的新望远镜，发现了四颗绕着木星运动的卫星。在发表他的报告——《星夜的差使》时，伽利略咨询了开普勒的意见，某种程度上是为了增加其观测发现的可信度。开普勒给予了积极的回应，撰写并发表了一篇简短的回复——《与星夜信使的对话》。他支持伽利略的观测，并对伽利略的发现以及望远镜观测方法对于天文学和光学以及宇宙学和占星学的含义进行了一系列的推断。同年年底，开普勒在《四颗卫星的观测报告》中发表了其利用望眼镜对月球的发现，进一步支持伽利略的发现。但是令开普勒失望的是，伽利略从未发表过其对《新天文学》的（任何）反应。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 192–197</ref>

在听说了伽利略用望远镜得到的发现之后，开普勒从科隆（Cologne）欧内斯特（Ernest）公爵那里借来了一个望远镜，开始对望远镜光学进行理论和实验研究<ref>Koestler, ''The Sleepwalkers'' p. 384</ref>。1610年9月，作为研究成果的手稿完成，并在1611年以《折射光学》为题发表。文中，开普勒提出了双凸会聚透镜与双凹发散透镜的理论基础——以及它们如何组合制作出一个伽利略望远镜——以及真实与虚拟影像、直立与倒立影像的概念和焦距对放大与缩小的影响。他还介绍了一个改进型的望远镜——现在称为天文望远镜或开普勒望远镜——该望远镜有两个凸透镜，可以比伽利略的凸凹组合透镜产生更大的放大率。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 198–202</ref>

== 林茨和其它地方（1612-1630年） ==

在林茨，开普勒的主要职责（不包括完成《鲁道夫星表》）是在教区学校任教并提供占星术和天文学服务。在那里的头些年，相比在布拉格的生活，他的经济条件更宽松，宗教更自由，虽然鉴于他神学上的顾虑，路德会教堂禁止他参加圣餐。他在林茨发表的第一部作品为《德维罗纪元》（1613），该作品对耶稣诞生的年份进行了进一步的阐释；他还参加审议，确定是否将格列高利教皇改革的历法引入新教徒的德国地区；同年，他还写了影响巨大的数学著作《求酒桶体积之新法》。该著作发表于1615年，介绍了测量容器容积的方法，如酒桶。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 209–20, 227–240</ref>

=== 《哥白尼天文学概要》、历法以及其母亲审巫案 ===

自从完成了《新天文学》之后，开普勒就开始计划编制天文学教科书<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 239–240, 293–300</ref>。1615年，他完成了《哥白尼天文学概要》三卷中的第一卷；第一卷（第1-3册）在1617年印刷，第二卷（第四册）1620年印刷，第三卷（第5-7册）在1621年印刷。尽管这个书名简单涉及了太阳中心说，开普勒的这套教科书成了他自己椭圆定律的巅峰之作，是其最富影响力的作品。它包含了全部三条行星运动定律，并尝试用物理因素解释天体运动<ref name="Gingerich pp 302">Gingerich, "Kepler, Johannes" from ''Dictionary of Scientific Biography'', pp. 302–04</ref>。虽然它明确的将行星运动的头两条定律（在《新天文学》中适用于火星）扩展到其它行星、月球及木星的美第奇卫星<ref>By 1621 or earlier, Kepler recognized that Jupiter's moons obey his third law.<br>

Kepler contended that rotating massive bodies communicate their rotation to their satellites, so that the satellites are swept around the central body; thus the rotation of the Sun drives the revolutions of the planets and the rotation of the Earth drives the revolution of the Moon. In Kepler's era, no one had any evidence of Jupiter's rotation. However, Kepler argued that the force by which a central body causes its satellites to revolve around it, weakens with distance; consequently, satellites that are farther from the central body revolve slower. Kepler noted that Jupiter's moons obeyed this pattern and he inferred that a similar force was responsible. He also noted that the orbital periods and semi-major axes of Jupiter's satellites were roughly related by a 3/2 power law, as are the orbits of the six (then known) planets. However, this relation was approximate: the periods of Jupiter's moons were known within a few percent of their modern values, but the moons’ semi-major axes were determined less accurately.<br><br>

在许多其它和谐中，开普勒清楚的说明了人们所知的行星运动第三定律。之后，他尝试了许多组合，直到发现（近似地）“周期的平方与平均距离的平方成正比”。虽然他给出了这次发现的日期（1618年3月8日），但是并未详细描述他是如何得出这个结论的<ref name="Miller2009">{{Cite book|author={{tsl|en|Arthur I. Miller||Arthur I. Miller}}|title=Deciphering the cosmic number: the strange friendship of Wolfgang Pauli and Carl Jung|url=http://books.google.com/books?id=KR2EtBnmcRYC&pg=PA80|accessdate=March 7, 2011|date=March 24, 2009|publisher=W. W. Norton & Company|isbn=978-0-393-06532-9|page=80}}</ref>。然而，直到17世纪60年代，人们才意识到该纯力学定律对于行星动力学的更广泛的意义。当该法则与克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）刚发现的离心力定律结合时，它就能使艾萨克·牛顿、爱德蒙·哈雷、甚至克里斯多佛·雷恩（C. Wren）和罗伯特·虎克独立的论证太阳与其行星之间假定的万有引力随着它们之间的距离的平方的减少而减少<ref>Westfall, ''Never at Rest'', pp. 143, 152, 402–03; Toulmin and Goodfield, ''The Fabric of the Heavens'', p 248; De Gandt, 'Force and Geometry in Newton's Principia', chapter 2; Wolf, ''History of Science, Technology and Philosophy'', p. 150; Westfall, ''The Construction of Modern Science'', chapters 7 and 8</ref>。这就否定了学术物理学传统的假设——不论在什么时间，万有引力不随两个天体之间的距离改变而改变，正如开普勒所做的假设以及伽利略错误的普遍规律，即自由落体运动加速度是一样的，以及如伽利略的学生——波蕾莉（Borrelli）在其1666年的天体力学中所描述的一样<ref>Koyré, ''The Astronomical Revolution'', p. 502</ref>。威廉·吉尔伯特在用磁铁做实验之后，确定地球的中心是一块巨大的磁铁。他的理论引导开普勒认为太阳的磁力驱动行星在它们自己的轨道运动。这是对行星运动的一个有趣的解释，但是对开普勒来说，很不幸，这种解释是错的。在找到正确的答案之前，科学家们需要对运动有更多的了解。

=== 《鲁道夫星表》及开普勒晚年 ===

1623年，开普勒最终完成了《鲁道夫星表》，这在当时被认为是他主要的工作。然而，由于皇帝的出版要求以及与第谷后人之间的协商，该星表直到1627年才开始印刷。同时，宗教紧张-——正在发生的“30年战争”的根源——再一次使开普勒及他的家人陷入危险的境地。1625年，天主教反改革派的代理人将开普勒大部分的藏书查封，1626年，林茨城被包围。开普勒搬到乌尔姆，在那里他自费印刷了该星表。<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 308–328</ref>

== 历史和文化遗产 ==

开普勒在哲学和科学编史学方面的作用超出了其在天文学与自然哲学的历史发展中的作用。开普勒及其天体运动定律对早期的天文学史非常重要，比如孟都克拉（Jean-Étienne Montucla）1758年的《数学历史》以及德朗布爾（Jean-Baptiste Delambre）1821年的《现代天文学历史》。这些和其它从启蒙运动的视角编写的历史以怀疑和反对的态度看待开普勒的形而上学和宗教主张，但是到了后来的浪漫时期，自然哲学家们将这些元素视为他成功的关键。威廉姆·维赫维尔（W. Whewell）在他有着重要影响力的作品《归纳法科学的历史》（1837年）中，发现开普勒是归纳法科学天才的原型；在他的作品《哲学与归纳科学》（1840年）中，维赫维尔将开普勒称为科学方法最高级形式的体现。类似地，在凯瑟琳皇后购买了开普勒手稿之后第一个对其进行广泛研究的人——恩斯特·弗里德里希·阿贝尔特（Ernst F. Apelt）认定开普勒是“科学革命”的钥匙。阿贝尔特看过开普勒的关于数学、美感、物理学以及作为整个思想体系一部分的神学的观点，对开普勒的生活与工作首次进行了广泛的研究。<ref>Jardine, "Koyré’s Kepler/Kepler's Koyré," pp. 363–367</ref>

== 天文學著作 ==

* 《[[宇宙的奧秘]]》（''{{lang|la|Mysterium cosmographicum}}''，1596）

*《关于占星术更坚实的基础》（''{{lang|la|De Fundamentis Astrologiae Certioribus}}''，''[http://www.johannes.cz/kepler.php On Firmer Fundaments of Astrology]''; 1601年）

*《梦》（''{{lang|la|Somnium}}''，1634年）

== 參見 ==

* [[開普勒定律]]

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== 引用和注释 ==

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{{DEFAULTSORT:Kepler, Johannes}}