歷史上的今天》11月15日──啟發牛頓萬有引力定律、17世紀科學革命關鍵人物「天空的立法者」克卜勒與世長辭

克卜勒(Wikipedia/Public Domain)

克卜勒(Wikipedia/Public Domain)

德國天文學家克卜勒是17世紀科學革命的關鍵人物,也是現代天文學的奠基者,最知名的成就為「克卜勒定律」,他的研究成果啟發了牛頓想出萬有引力定律,他也被譽為「天空的立法者」。克卜勒發明了一種改良型的折光式望遠鏡,知名著作《宇宙的奧秘》支持哥白尼的日心說。此外,他研究了針孔成像,從幾何光學的角度加以解釋,奠定近代光學的基礎。

1571年12月27日,克卜勒(Johannes Kepler )生於神聖羅馬帝國的威爾(Weil der Stadt),家境貧困,身為早產兒的他從小體弱多病,4歲時染上天花,導致他視力衰弱,雙手嚴重受創。不過,他從小就展露超常的數學才能,很早就接觸到天文學並深深喜歡這門科學,6歲時看到了1577年的大彗星。

1594年4月,23歲的克卜勒在奧地利格拉茨(Graz)一間神學院擔任數學與天文學教師。他在格拉茨任教時,開始致力研究宇宙,認為了解上帝創造的宇宙是基督徒的職責。1596年,他出版了首部天文學著作《宇宙的奧秘》(Mysterium Cosmographicum),也是第一部捍衛哥白尼學說並公開發表的作品,這部著作確立克卜勒的聲望,也可以視為將哥白尼(Nicolas Copernicus)著作《天體運行論》(De Revolutionibus Orbium Coelestium)提出的理論現代化的重要第一步。

克卜勒在《宇宙的奧秘》中關於太陽系的柏拉圖式實體模型(Wikipedia/Public Domain)
克卜勒在《宇宙的奧秘》中關於太陽系的柏拉圖式實體模型(Wikipedia/Public Domain)

1600年2月4日,克卜勒在距離布拉格(Prague)35公里的伊澤拉河畔貝納特基(Benátky nad Jizerou)與丹麥天文學家第谷(Tycho Brahe)見面,第谷曾嚴厲批評克卜勒的研究,不過後來克卜勒同意擔任第谷的天文台助手。

第谷(Wikipedia/Public Domain)
第谷(Wikipedia/Public Domain)

1601年,克卜勒開始為第谷工作,第谷安排他分析行星觀測結果。1601年10月24日,第谷忽然過世,克卜勒成為繼任為皇家數學家,負責完成第谷未完成的工作。克卜勒使用第谷精確的觀測數據與自己發現的行星橢圓軌道,經過多年的努力,才終於在1623年完成了《魯道夫星表》(Tabulae Rudolphinae)。

《魯道夫星曆表》在卷首的插圖標示知名的天文學家,包括托勒密、哥白尼、第谷等人(Wikipedia/Public Domain)
《魯道夫星曆表》在卷首的插圖標示知名的天文學家,包括托勒密、哥白尼、第谷等人(Wikipedia/Public Domain)

1603年,克卜勒將大多數的時間專注於光學理論研究,其研究手稿隔年以《天文學的光學需知》(Astronomiae Pars Optica)為題發表,他在文中對控制光強的平方反比定律、平面鏡與曲面鏡的反射、針孔相機原理、光學的天文學含義做出了描述,《天文學的光學需知》也被視為他光學探索的巔峰。

根據對地球與火星遠日點和近日點的測量,他創立了公式:根據這個公式,行星的運動速度與它與太陽的距離成反比。1602年底,克卜勒運用幾何學重新闡述了這個比例:行星在同樣的時間內掃過同樣的面積,這是克卜勒關於行星運動的第二定律。

克卜勒運用幾何速率法則,假定軌道是蛋形軌道,計算火星的整體軌道,但經歷約40次失敗,1605年初,他最終偶然想到「橢圓形」這個概念,並發現橢圓形軌道適用於火星的數據,他立即推斷出所有行星都以太陽為中心按照橢圓形運動,這是克卜勒關於行星運動的第一定律。然而,1605年年底,他完成了《新天文學》(Astronomia nova)的手稿,但是因為使用第谷天文台的數據引起法律爭議,這部著作直到1609年才發表。

克卜勒《新天文學》裡三種行星運動模式的示意圖(Wikipedia/Public Domain)
克卜勒《新天文學》裡三種行星運動模式的示意圖(Wikipedia/Public Domain)

克卜勒深信「幾何事物向造物主提供裝飾整個世界的模型」。1619年,他發表《世界的和諧》(Harmonices Mundi),嘗試用音樂解釋自然世界的比例,特別是天文學與占星學,而世界和諧的中心是「天體音樂」。克卜勒也在這部作品清楚說明「行星公轉周期的平方與離太陽的平均距離的三次方成正比」,這是關於行星運動的第三定律。

《世界的和諧》中關於完美多面體的幾何和諧(Wikipedia/Public Domain)
《世界的和諧》中關於完美多面體的幾何和諧(Wikipedia/Public Domain)

克卜勒的晚年顛沛流離,從布拉格皇宮、奧地利林茲(Linz)、德國烏爾姆(Ulm)等地,最後到了德國的雷根斯堡(Regensburg),不久後克卜勒就病了。1630年11月15日,他逝於雷根斯堡,享年58歲,他葬在該地,他生前就寫好的墓志銘流傳至今:「我曾測天高,今欲量地深。我的靈魂來自上天,凡俗肉體歸於此地。」(Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras:Mens coelestis erat, corporis umbra iacet.)

關鍵字:

我要發風

風傳媒歡迎各界分享發聲,來稿請寄至 opinion@storm.mg

並請附上姓名、聯絡方式、自我簡介,謝謝!