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(1619年)天空立法者开普勒

约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler,1571.12.27-1630.11.15),德国杰出的天文学家、物理学家和数学家。他的人生值得每一个人敬重!

开普勒绝对是不折不扣的学霸,1588.9.25获得文学学士学位。1591.8.11又通过文学硕士学位考试。这时他想当一名路德教的牧师。

本该成为出色文学家的开普勒,

却在天文学的道路上越走越远。

中世纪,科学界最大的争论是:到底是地球围绕太阳旋转,还是太阳围绕地球旋转。站在地球上来看,好像是太阳绕着地球旋转。但是观测别的行星运行轨迹,好像又在围绕太阳运行。

天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546.12.14-1601.10.24)为了解决这个人类科学最初的大争论,开始了寻求数据支持的伟大征程。

1576年第谷接受丹麦国王腓特烈二世的资助,在汶岛(Uraniborg)建造天堡观象台。

这是世界上最早的大型天文台,最终天堡建筑群花费超过当时丹麦国民生产总值的5%,折合成黄金超过1吨,创造了研究中心建设资金消耗的空前的世界纪录。

此后的20多年,他每天晚上风雨无阻地观测行星运动的轨迹,把每个行星每天晚上的位置,精确地记录下来。第谷是天文史上第一个真正地开始收集大数据的天文学家。

座落在奥匈帝国首都布拉格的第谷与开普勒雕像

1596年开普勒平生第一本天文学著作《宇宙的秘密》出版,尽管所阐述的理论被证明完全错误,但这本书显露出开普勒杰出的数学才能和创造性思维。

《宇宙的秘密》标题页(瑞士图书馆)

1600年29岁的开普勒给素不相识的第谷写信,他把自己研究天文学的成果和想法告诉了第谷。

第谷见信对开普勒的才华惊叹不已,立即写信邀请他来当自己的助手。但是开普勒来到第谷的身边仅10个月第谷去世。

开普勒继承了第谷留下的非常非常宝贵的资料,其中包括对火星运动的观测。

但数据不是越多越好,

而是清醒地分析海量数据。

开普勒把数据分析从每晚拉远到每年,发现了行星围绕太阳旋转的规律,由此拉开了近代天文学的序幕。

《梦游》是人类最早的科幻小说

1600开普勒出版《梦游》,这部纯幻想作品说的是人类与月亮人的交往。但书中谈到了许多不可思议的东西,像喷气推进、零重力状态、轨道惯性、宇宙服等等。

1609年伽利略用望远镜指向天空,开普勒出版《新天文学》,内容包括行星运动三大定律的前两条:

  • 第一定律(椭圆定律):行星绕太阳运转的轨道为一椭圆,太阳在此椭圆其中一个焦点上;

  • 第二定律(面积定律):行星和太阳连起来的直线在相同时间内扫瞄出相同的面积。开普勒的创见媲美同年伽利略的成就,共同开启新的天文学时代。

1619年《宇宙的和谐》正式出版,进入2019年这部杰作问世整整400年!!

  • 第三定律(周期定律):所有行星周期的平方,与其椭圆轨道半主轴的三次方成正比。

《世界的和谐》中用五线谱表示的行星乐音

《宇宙的和谐》一书有五卷,第三定律只占第五卷一小段,却是整本著作最重要的部分,因为他的见解促成后来牛顿发现万有引力。

《世界的和谐》中图示

行星运动轨道与正多面体之间的关系

在开普勒的行星运行定律中,已经有万有引力定律的影子,开普勒已经通晓当时所有的数学,可万有引力定律需要的是新的数学,后来者是发明出微积分的牛顿。

牛顿在开普勒身上学到的经验教训是:我们在解释人类存在这一类最基本的问题时,很大程度上取决于当时的测量工具和科学家分析数据的数学能力。

牛顿曾说过:"如果说我比别人看得远些的话,是因为我站在巨人的肩膀上。"开普勒无疑是巨人之一。

开普勒一生追寻宇宙和谐的奥秘,

但实际生活却充满坎坷。

视力不佳一直是他莫大的痛苦,17岁时父亲去世,12个孩子有8个早夭,2任妻子在他之前相继病逝。

长达20年拿不到薪水,身为数理天文学先驱,却无法用天文学职位养活家人。除教数学外,他的一个主要任务就是替皇帝占星算命,这也是他终身从事的职业。他的遗稿中保存了800多张占星图。他虽不相信这一伪科学,但为了谋生只得如此。

1630年开普勒闭上了他那曾经深深穿透过太空的眼睛,身后遗留下22个弗罗林(Florin,当时德国的货币名称)和一匹仅值11个弗罗林的瘦马。

开普勒给自己写的墓志铭被世人广为流传:

我曾测量天空的高度,

而今丈量大地的影深。

精神归于天国,

身影没于尘土。

1971年民主德国发行纪念开普勒诞辰400周年邮票

但开普勒从未走远,留下著名的开普勒猜想:如果有一堆大小相同的小球,怎样摆才能使空间利用率最大?

开普勒1611年发表文章《关于六角雪花》中正式提出了这个猜想:六方最密堆积和面心立方堆积法就是三维空间中的最佳摆法,他们的空间密度同为π/√18≈74.05%。

1998年匹兹堡大学托马斯·黑尔斯(Thomas Hales)发表了关于开普勒猜想证明的论文,超过300年的历史难题终于有了正式的答案。

人们在海边踩过被浸湿的沙滩后会发现脚印变干。这就是因为沙子在自然状态下已经是处于最大堆积状态,人的脚踩下去会使得这种平衡被破坏,底下和侧边的沙子之间的空袭变大,表面的水就会下沉,导致脚印变干。

国际天文学联合会决定将1134号小行星命名为开普勒小行星。

今天也是一个大数据时代,借我借我一双慧眼吧,让我把这纷扰看得清清楚楚明明白白真真切切!

致谢:梁英华、冯堃提出的修改意见

特别感谢:德国Wolfgang Haußner先生

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