开普勒的生平与贡献

1、开普勒的生平和贡献*（学号：*）E-mail:*摘要约翰内斯开普勒是一位杰出的德国天文学家。他一生极为不幸，小时得过病，体质很差，生活非常贫穷。但面对重重困难，他仍坚持科学研究，对行星运动轨道的研究作出了无与伦比的贡献。正是由于他总结的关于行星运动的三大定律，才突破了行星轨道是圆形的思想约束，才有了天体力学和动力学的飞跃。并且他在天文学，光学等方面做出了重要的贡献，是现代实验光学的奠基人和近代自然科学的开创者之一。一、前人的研究成果及对开普勒的影响1.托勒密的地心说托勒密是世界上第一个系统研究日月星辰的构成和运动方式并卓有成效的科学家，他在亚历山大城的观象台上观察行星体系，创立了“地心说”。这

2、个学说相对完美地解释了当时观察到的行星运动情况，并在航海上具有实用价值，所以，得到宗教统治者的极力维护，从而被人们广为信奉，统治天文学界长达13个世纪。这一思想深深地扎根于人们心中，突破它极其不易。2.哥白尼的日心说哥白尼是一位受到良好教育的天文学家，他在意大利学习天文时，开始了自己的天文研究，他发现了托勒密体系中的一些破绽。并且，在他看来托勒密的理论还存在某些美学缺陷，例如均衡轨道。凭借臆想的均轮，托勒密成功的对地球在天穹运动中的中心位置做出了解释， 并且没有放弃古代两个基本的“完美运动”形式， 及运动的圆周形式和均匀形式。均匀轨道并不是实际存在的旋转轨道，而是想象中的轨道，有了他们，行星的

3、运动就显的均匀起来。正是这一点受到了哥白尼的质疑，他认为这种臆想出来的结构本身就是托勒密体系内在的矛盾表现，如果将太阳作为所有运动的中心，这些矛盾就迎刃而解了。于是，在1543年他出版的著作天体运行论中全面地阐述了日心说的观点。这一学说打破了一千多年的托勒密的地心说的统治，沉重的打击了教会的宇宙观。开普勒在图宾根大学学习时，热心的与著名的马斯特林老师交往，他觉得新近关于宇宙构造的一半见解在速度方面都太粗陋了。所以，马斯特林老师在演讲中常常提到的哥白尼令开普勒神往，以至他不但常常在和同学的讨论中维护哥白尼的观点，而且还写了一篇详细的论文，讨论第一次运动是由地球自转引起的问题。可见开普勒是日心说的

4、热心拥护者。但哥白尼依然相信天体只能按照所谓完美的圆形轨道运动。开普勒在后来研究火星的运动时，发现有误差，他明锐地认定，日心说必须坚持，圆周运动值得怀疑。3.伽利略的研究伽利略用自制的望远镜观察到许多宇宙秘密，他在1632年出版的关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话中全面而体统的讨论了哥白尼的日心说和托勒密地心体系的各种分歧，并以他的许多新研究成果和新阐释的惯性原理揭示了哥白尼体系的正确和托勒密体系的谬误。由于伽利略极力支持日心说，最终与教皇和教会决裂。1633年3月12日，宗教法庭对伽利略进行了审判，强迫他认错并将他监禁起来。尽管如此，伽利略科学的论证极大的宣传了哥白尼的日心说，使得日心说逐

5、渐被人们接受。开普勒和伽利略是同一时期的科学家，两人都热衷于天文学研究，还经常通过书信往来交流各自的研究成果。他们都认为数学是自然科学研究的最基本语言。伽利略曾说：“人们只有掌握了自然科学的语言和符号才能读懂自然之书，自然科学的语言是数学，自然科学的符号是三角，圆和其他几何图形。”开普勒也表达过同样的意思：“几何是世界之美的原型。”4.第谷的贡献第谷是望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家。1546年12月14日他出生于丹麦Skane的一个贵族家庭，自幼受到良好教育，喜欢观察星辰。1560年8月，他根据预报观察到一次日食，这是他对天文学产生了极大的兴趣。在Skane，有一个叫汶岛的小岛。157

6、6年，丹麦国王腓特烈二世把这个小岛送给了他，从此，岛上的土地就属于他的私人财产。第谷利用自己的知识，在岛上开展天体运行的测量。最初只有几个助手，后来他发现只有通过常规的测量，才能发现天体运行的规律。利用得天独厚的优势，第谷让岛上的居民晚上为他测量，白天为他整理资料。于是产生了世界上最早的科研团队第谷天文台。 第谷经过多年的精心观察，积累了极为宝贵的天文资料和数据。1600年，开普勒到布拉格任第谷的助手。第谷虽终身辛勤观察，有很高的精度，但对理论不擅长。日心说在当时已经流行，他却还没有接受，而是为地心说修修补补。1601年第谷逝世，他把自己所有的天文观察资料与数据赠给了开普勒。开普勒对第谷的数据

7、非常信任，他说：“我们应该仔细倾听第谷的意见。他花了35年的时间全心全意的进行观察我完全信赖他，只有她才能向我解释行星轨道的排列顺序。”正因为这样，后来才有了开普勒8分差异引起的革新。二、开普勒的生平约翰内斯开普勒于1571年12月27日出生在德国南部符腾堡州威尔镇(Weil der Stadt)。他刚刚出生时体质几位孱弱，接生婆还以为这个婴儿未见得能够存活下来。他的祖父曾经是威尔镇十分活跃的新教倡导人，还一度担任镇长。到了父母这一代，家事开始衰落，始终没有脱离平困之苦。父亲脾气暴躁，母亲非常任性，很难相处。父亲为躲避家里无止境的争吵，长期在军队服役，成为一名职业军人。后来再一次征战结束回家途

8、中，突然因病死去。开普勒共有4个兄弟姊妹，3个夭折，活下来的只有他和弟弟，而弟弟又是一个癫痫患者。开普勒早年的命运十分凄惨：3岁时遭遇肆虐欧洲的传染病天花，不仅损坏了他的面容，还使得他一只手半残，视力也受到损害；而家境的贫寒又使他饱受穷苦之累，有时穷的只能乞住在乡村旅店之中，9岁时为了生活他做过佣人，直到12岁才在他人的帮助下回到学校。人间的倾轧、无穷尽的苦难和亲人的死亡，从小就在开普勒的心灵上留下了深深的伤痕。幸好他没有被苦难的命运击倒，反而由此磨练了意志，寻求到解脱的办法。他从小就喜欢到教堂做晚祷，因为教堂那高高的圆形穹顶，管风琴美妙的和声在大厅的穹顶上回旋袅绕，队在苦难中的开普俄罗来说，

9、就像是上帝的福音。圣经的引导、管风琴美妙的和声和诗歌班童声合唱，和谐的融合在一起，是他的心灵受到了很大的震撼。他的到了人间不能给予他的温暖、希望和力量，也从小就迷上了音乐。在肃穆静谧、和谐美妙的氛围里，这个残忍、粗暴、丑恶的世界，视乎远远地离他而去，在他面前展示的是美妙的音乐旋律，也孕育了他朦胧而美丽的梦想。凭借与生俱来的禀赋加上后天的刻苦，1587年，开普勒17岁时进入图宾根大学（Univerdity of Tuebigen）神学院。在进神学院以前，开普勒对天文学并没有多大兴趣，他热衷的是神学，希望日后能当一个牧师，为上帝传播福音。没想到在图宾根神学院，由于天文学教授马斯特林的影响，他的兴趣

10、开始转向了天文学，并接受了哥白尼的日心说。1591年，他以全班第二名的优秀成绩毕业。毕业后，开普勒本想在教会中找到一个职位，但由于他信奉被教会视为洪水猛兽的哥白尼日心说，从而失去了担任教会职务的可能性。1594年，在马斯特林的帮助下，来铺了在奥地利格拉茨神学院谋到一个数学讲师的职务。从此，他把当牧师的想法抛到九霄云外，一心一意的开始研究型行星问题。他起初教授数学，但学生对此兴趣不大。第二年他教文学、伦理学和历史学。因为他知识渊博且具有多方面的天才，顿时远近闻名。校方给了他高度好评：“开普勒在演说、讲授和论辩方面都使学生满意，他是一个年轻博学、虚怀若谷的人。一个偏僻的地方能拥有像他那样出色的教师

11、真是难得。”1596年，开普勒发表了他的第一本著作宇宙的奥秘。在其中他明确主张哥白尼体系，同时也因袭了毕达哥拉斯和柏拉图用数来解释宇宙构造的神秘主义理论。这本书使得年轻的开普勒一举成名。并且让他更加坚定自己的人生道路。1597年4月27日，开普勒与他的第一任妻子巴尔巴拉（Barbara）在格拉茨大教堂举行婚礼，巴尔巴拉是一位富裕的磨坊主的女儿。婚后开普勒以为从此便可以在格拉茨扎下根来，但生活不想他希望的那样顺利，儿子和女儿都在出生后不久因病夭亡，母亲被指控这一切让开普勒感到无穷的痛苦。1598年，奥地利爆发了严重的宗教冲突，开普勒只得逃到匈牙利。1599年，开普勒把他的宇宙的奥秘一书寄给刚到布

12、拉格的第谷，并将自己的困境和疑难告诉了第谷。第谷对于开普勒的著作十分欣赏，于是在几次通信后，第谷就邀请开普勒到布拉格共同工作。他在信中写道：“来吧，作为朋友而不是客人，和我一起用我的一起观察。”1600年初，开普勒和他的家人一起到了布拉格。他和第谷开始了科学史上极富成效的合作。1604年，开普勒发表了超行星SN1604，并写出了蛇夫座脚步的新星一书。这颗行星后来被命名为开普勒超行星。1609年，开普勒出版了新天文学。1618年5月27日开普勒完成了世界的和谐一书，1619年出版。1627年，出版了鲁道夫星表。开普勒几乎终生都在贫穷中度日。虽然它名义上是德国皇帝宫廷天文学家，但却常年拿不到薪水。

13、他是历史上数理天文学的先驱，但却没办法用天文学家的职位养活自己和12个孩子。他只能靠算命来使一家人不致活活饿死。1630年10月，开普勒迫于生活无法维持，只好亲自去雷根斯堡向国会要求付给他20年的欠薪。不幸的是由于饥寒交迫，在11月2日到雷根斯堡不久后就病倒了。11月15日，开普勒这位奋斗一生的哲人，在穷困潦倒中悲惨的离开了人世。11月17日，他被葬在城堡外面圣彼得堡公墓里；墓碑上刻的是他生前留给自己的墓志铭:我曾测天高，今欲量地深，上天赐我灵魂，凡俗的肉体安睡地下。后来由于战争连绵不断，他的坟墓已经消失的无影无踪。 三、开普勒的贡献开普勒对天文学的贡献几乎可以和哥白尼相媲美。事实上从某些方面

14、来看，开普勒的成就甚至给人留下了更深刻的印象。他更富于创新精神。他所面临的数学困难相当巨大。数学在当时远不如今天这样发达，没有计算机来减轻开普勒的计算负担。1.行星运动三大定律开普勒发现的行星运动三大定律，突破了行星轨道是圆形的思想束缚，而且在此基础上才有了天体力学和动力学的飞跃。这三大定律的提出在科学发展史上有非常重要的意义，然而它的发现过程却是极其艰难的。开普勒在布拉格与第谷一起工作时，因为第谷根本不相信哥白尼的日心说，这使得相信日心说的开普勒在第谷身边左右为难，施展不开手脚。第谷去世后，开普勒自由自在的放开手脚大干起来。当开普勒用第谷的观测资料研究火星的运动时，发现火星如果真是做圆周运动

15、的话，那就与第谷的观测资料有8分的误差。这是一个不大的误差，但开普勒认为这人然是一个不能允许的误差，他心里很清楚，第谷的实测误差绝对不会超过2分。这时，开普勒以非凡的创造性精神大胆扬弃一些不符合观测的传统观念。火星的运动轨道偏离圆轨道已经比较明显，与哥白尼认为行星运动一定是圆周运动的观点矛盾。但开普勒既没有因此怀疑日心说，也没有怀疑第谷的观测资料，而是认为哥白尼日心说里的“圆周运动”值得怀疑。于是，开普勒摈弃火星运动轨道时圆周的假说，把它视为卵形。他对火星轨道试验了多种类似卵圆的曲线，花了3年时间才最终确定火星的轨道实际上是椭圆。而且发现火星椭圆运动轨道的猜想与观测资料非常一致。经过进一步的研

16、究证明，不仅仅是火星，而且所有行星运动的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。这就是开普勒的行星运动第一定律。在确定行星沿椭圆轨道运动后，开普勒迫切想了解：“为什么行星偏爱椭圆运动？行星运动的原因是什么？”这促使他有证实，行星在椭圆轨道上，有时离太阳近，有时离太阳远，离太阳近时运动快，离太阳远时运动慢。这样，开普勒又抛弃了星体做神圣的匀速运动。但他发现行星沿椭圆轨道上的运动遵循着某种规律。这个规律就是开普勒第二定律：太阳到行星的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。由于开普勒坚定宇宙有一种内在的和谐存在于各行星之间的运动，在之后的十年里，他又不知疲倦的继续观察行星运动和分析第谷的观察资料。1618

17、年5月，开普勒终于发现了一种规律，即行星运动第三定律：各个行星运动周期的平方与各自离太阳的平均距离的立方成正比。后来，开普勒根据他的行星运动三大定律制定的鲁道夫星表与观察到的行星位置充分吻合。后人把它誉为“天体运动的立法者”。这三大运动定律冲破了重重的思想束缚，把人们从托勒密的地心说中彻底解放出来，极大地促进了自然科学的发展。为数十年后牛顿的万有引力定律铺平了道路。2.光学研究开普勒也是近代光学的奠基者，他研究了针孔成像，并从几何光学的角度加以解释，并指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒也研究过光的折射问题，1611年发表了折光学一书，最早提出了光线和光束的表示法，并阐述了近代望远镜理

18、论，他把伽里略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒望远镜，现在仍被广泛的运用于天文学研究。3.几何研究1615年他发表了葡萄酒桶的立体几何，这本书被称为人类创造球面、体积新方法的灵感源泉。在这本书中，开普勒用无穷大和无穷小的概念来代替古老而烦琐的穷竭法，他设想一个由无数个三角形构成的圆，其中每个三角形的顶点都处在圆心，圆周是由它们无穷小的底边构成。同样,圆锥体可以看成是由大量具有共同顶点的棱锥体所构成，圆柱体是由大量棱柱体所构成，这些棱柱体的底边构成圆柱体的底边，它们的高就是圆柱体的高。开普勒采用这些观念得出了一些古人辛辛苦苦极难得到的结果。他的方法中虽缺少关于极限的明确概念

19、，和有效的求和方法，但可导致正确的结果，他的方法给数学家开辟了一个广阔的思考园地。4.其他贡献开普勒也研究过人的视觉，认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的水晶体投射在视网膜上，阐明了产生近视和远视的成因。开普勒还发现大气折射的近似定律，最先认为大气有重量，并且说明了月全食时月亮呈红色是由于一部分太阳光被地球大气折射后投射到月亮上而造成的。他首先把潮汐同月球的活动联系起来，第一次宣布地球以外的行星也是物质的、不完美的。1611年开普勒即兴写了一本未完成的书：六角形的雪。通过对六角的雪的观察使他得出了对称的观念，并推想到雪是由许多球体紧密堆积而成。这本书可视为晶体学的发轫。 四、对开普勒的

20、评价及对他贡献的肯定我不再理会行星轨道的椭圆轨道形式带给我的困扰。 克鲁格我们以前都是瞎子。 伏尔泰显然开普勒的意图是用大部分现代天文和数学的方法来挽救毕达哥拉斯派的宇宙观，他的工作做得太好了，他是最后一位试图向隐秘处照射光亮的伟大的科学家。 詹姆斯开普勒的物理直觉是具有决定性的，他将自己的注意力集中到由太阳之力造成的实际的行星轨道上，而他的前辈们则全神贯注于分立的几何结构-本轮所生成的轨道上。 霍金斯在我们这个令人焦虑和动荡不安的时代，难以在人性中和在人类事物的进程中找到乐趣，在此时想起想开普勒那样高尚而淳朴的人物，就特别感到欣慰。他在没有人支持和极少数有人了解的情况下，全靠自己的努力，专心

21、致志地以几十年艰辛的、坚韧的工作，从事行星运动的经验研究以及这运动的数学定律的研究。使他获得这种力量的，是他对自然规律存在的信仰。这种信仰该是多么真挚呀。 爱因斯坦向着您，我转过身来，高贵的开普勒，您的智力创造了一个神圣的精神宇宙，在我们的时代里，被视为智慧的东西是什么？是屠杀一切，使高尚的东西变低微，使低微的东西纷纷扬起，甚至使人类精神在机械的法则之下屈服。 诺瓦利斯 五、开普勒精神及感想开普勒在得到推测行星轨道的灵感时，他非常兴奋，他写道：我永远无法用语言来描述我从自己的发现中获得的快乐。现在我再也不惋惜失去的时间，再也不厌倦工作，无论有多大困难，我也不回避计算。日日夜夜我不停地从事计算，直到我看见自己用公式的语言表达的句子与哥白尼的轨道完全吻合，直到我的欢