约翰尼斯·开普勒的故事（天文学家约翰尼斯开普勒简介）

约翰尼斯·开普勒家喻户晓，这位伟大的天文学家、物理学家在我们很小的时候就出现在了我们的教科书里。

我们知道他用非常简洁的轨道模型规定了太阳系行星运动规律，首次为人类完整的刻画了一个完美、合理，与观测数据相符的太阳系行星运动方式。

这一切都写在了他提出的三大定律中。轨道定律、面积定律、周期定律，尤其是最后一个，牛顿从中推导出了两个质量物体之间的引力和距离的平方成反比，这个万有引力公式中最关键的一点。

他的伟大之处在于，开普勒是第一个敢于打破2000年来人类对天球理论模型的那种毫无置疑的崇拜，以及对匀速圆周运动的那种毫无道理的喜爱与偏见。

你可能会认为，天球宇宙模型不就是地心说么，大球套小球，小球套地球，造物主在这个嵌套的模型之外掌控一切；

这个模型不是被哥白尼的日心说最早否定的吗？哥白尼不是那个第一人吗？其实还真不是，听我慢慢道来。

地心说最早提出的人根据考证是公元前6世纪的阿那克西曼德，他最早有地球不动为中心的思想，这个时间非常早，他是古希腊最早一批哲学家，是哲学之父、天文学之父泰勒斯的学生。

公元前4世纪哲学家欧多克斯也提出过同样的想法，亚里士多德继承发展了地心说，并提出了一套完整的与之世界观相符的物理学理论。

他认为整个宇宙就是一个完美的球体，地球在这个球体的中心，在地球之外有月亮所占的天球、接下来是水星天球、金星天球...直到土星天球和恒星天球，以及原动力天球，之外什么都没有了，应该是具有自由意志的造物主。

为何要将这些行星将恒星分开呢？其实古人观天过程还是比较细致的，因为恒星在黑暗的背景上相对于我们看起来永远都不动，有固定的位置，形成了一个永恒不变的恒星背景一样。

而这几颗行星看起来很亮，而且位置变换的很快，尤其是水星和金星，最慢的当然是土星，它们有时还会遮住某些星星，因此古人认为这几颗行星离地球都很近，各自占据一个可以转动的天球。

因此就有了大球套小球的宇宙模型。

这些天球的上的行星以正圆形的轨道在绕着地球做匀速圆周运动。为什么是匀速圆周呢？因为这种运动在哲学家的眼里代表了简洁、完美与和谐。

它们旋转动力在亚里士多德看来来自于原动力天中的造物主。

匀速圆周运动的宇宙从提出来以后几千年就从来没人质疑过。也没有人会相信一个不是正圆，且行星速度还会在轨道上变化的宇宙。

到了公元2世纪，托勒密成为了地心说的集大成者，为了应对行星逆行现象给地心说带来的挑战，他为地心说中绕地球运行的行星加入了一个假象的本轮，并且将地球中心的位置偏移了一点，也就是会行星绕地球运行的轨道是一个偏心圆。

托勒密还利用严密的数学计算为地心说模型带来了非常优秀的行星运动的预测能力，可以准确的预测日食和月食，预测出来的行星运动位置在天空中的误差不超过2°。

经过了托勒密的发展，地心说模型达到前所未有的高度。但是整个系统变得异常的繁琐、复杂，绕地球运行的轮子多达三十几个，想要计算行星的运动工作量非常大。

但这样的模型很符合人们的直觉以及心理需求，也就是顺势统治了人类世界观长达一千多年。

时间来到了16世纪的哥白尼时代，他是第一个有文献考证的质疑地心说模型的人，认为只要将地球和太阳调换个位置，就能省去很多看似不必要的本轮，同样也可以解释行星逆行现象。

这就是哥白尼在1543年出版的《天球运行论》中提出的日心说，但是他的日心说，并没有否定亚里士多德提出的天球模型，更没有质疑行星在轨道上的匀速圆转运动。

因此这样的日心说带来的结果就是，虽然太阳系模型看起来简洁了，但是行星轨道、位置的预测能力远没有托勒密模型来的准确。

因此哥白尼的日心说有非常大的缺陷，并不好用，他只是给人类带来了一种新的思想浪潮，一种具有革命性的思维方式。

指导人们换一种更简洁的方式去解释宇宙，而不是不停地给行星添加本轮，以符合观测数据。

而开普勒则不同，他不仅接受了哥白尼的思想，还大胆的、以超强的预见性击碎了几千年来人们的世界观。随着而来的就是新物理学的诞生。

开普勒小时候也是命运多舛得过天花和猩红热，这两种疾病一个使他破了相，另一个使他的视力变得远不及常人。

很难有人能预料到他以后会成为一个优秀的天文学家，因为在那个时代天文学家必须具备裸眼观天的能力。

1600年的时候在大学教书的开普勒给素不相识的第谷·布拉赫写了一封信，在信上他展示了自己对天文学的研究和思考，并且展示出了超强的数学能力。

这正是第谷·布拉赫所急需、且不具备的能力，因此开普勒就成为第谷的助手，但不幸的是10个月后也就是1601年第谷·布拉赫离世。

有幸的是，开普勒获得了第谷·布拉赫的“遗产”，这个遗产正是第谷20年来对太阳系各大行星运动非常精确的观测数据。

在这些数据的基础上，开普勒就开始着手改进和完善哥白尼日心说，起初开普勒通过哥白尼的日心说模型，也就是偏心圆轨道以及行星的匀速圆周运动，经过大量的计算发现得出来的数据与第谷观测得不符。

托勒密的模型也和观测数据不符。

但开普勒十分坚信第谷的实际观测数据是准确的，因此他大胆的抛弃了人们坚信几千年的行星匀速圆周运动的方式，以及偏心圆轨道。

决定以新的几何曲线去描述行星运动的轨道。经过长达四年的大量计算和常识，最后发现椭圆轨道以及行星的运动速度在轨道上是可变的。

并且将这种新的轨道和运动方式应用在所有已知的行星中发现得出来的结果正是第谷观测到的数据。

因此在1609年在著作《新天天文学》中发表了他的成果。1619年，又经过10年的计算，在《宇宙和谐》著作中发表了行星运动的周期定律。

同往常一样，一个具有跨时代理论的出现首先会受到人们的冷落和质疑，毕竟人类2000年来的完美、匀速运动的天球被打破了，取而代之的是一个椭圆的、且行星速度会发生改变的宇宙。

这很难与人们的常识的相结合，首先没有了天球、没有了亚里士多德的理论基础，你怎么解释行星为何会绕太阳旋转，为何它的轨道会是椭圆的？

而且它的速度为何会发生变化？地球在动，而且速度在变化为什么我们一点也感觉不到？在当时这些问题无人能答。

因此在开普勒的有生之年他的理论并没有被人认可。直到越来越多的观测证据的出现开普勒的太阳系模型才展现出了他的魔力。

例如利用开普勒的三大定律我们第一次预测到了一个以前从来没有观察到的现象，就是水星和金星凌日。

1631年人类第一次观察到了水星凌日，并且与开普勒三大定律预测的时间完全相符。至此到了17世纪后半叶，他的理论已经风靡天文学界，被很多天文学家用来计算天体的运行轨道。

其中就包括埃德蒙·哈雷对彗星的研究，但他不知道为何彗星会拥有如此奇怪的轨道，同样也搞不懂为何行星的轨道会是椭圆。

毕竟数学能力有限，于是他就寻找了牛顿...！至此科学界天翻地覆，人类历史上最伟大的一本书《原理》横空出世。

这一切能够顺理成章，离不开开普勒的贡献。所以说三大定律并不仅仅是规定了天体运行的轨道，他同爱因斯坦的理论一样，颠覆的是人类几千年来固有的天球、匀速圆周运动的世界观。