开普勒发现了什么？打破\"完美圆形\"的行星运动三定律

约翰内斯·开普勒发现，行星绕太阳运行的轨道不是完美的圆，而是椭圆。他把行星的运动总结为三条定律：第一，每颗行星的轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上；第二，行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积；第三，行星公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。 第一定律发表在1609年的《新天文学》中，第三定律发表在1619年的《世界的和谐》中。 几十年后，牛顿正是借助这些定律建立了万有引力理论。

这是教科书上的答案。可在它背后，还有视力衰弱、因信仰被驱逐、与丹麦天文学家合作、母亲被控为女巫等一连串充满人情味的故事。

仰望星空的病弱少年

开普勒1571年12月27日出生于今天德国南部的小城魏尔德尔施塔特。 父亲是雇佣兵，在他五岁左右离家；母亲卡塔琳娜是一位懂草药的治疗师。

小时候他得过天花，留下了视力差、手部受损的后遗症，这对未来的天文学家来说是很大的不利。 但他很早就爱上了星空：六岁时，母亲带他到高处看1577年的大彗星；九岁时，他看到一次月食，月亮显得通红。

从准牧师到哥白尼的信徒

1589年，开普勒进入图宾根大学的神学院，打算成为路德宗牧师。数学教授梅斯特林同时教他以地球为中心的托勒密体系和以太阳为中心的哥白尼体系，开普勒由此成为坚定的哥白尼派。 由于他的宗教观点与路德宗官方信条不合，他始终没有被按立为牧师。

1594年，22岁的他到格拉茨一所新教学校教数学和天文学，1596年出版了第一部重要著作《宇宙的奥秘》。

被逐出格拉茨，结识第谷

1600年，信奉天主教的斐迪南大公下令，新教徒要么改宗，要么离开，开普勒只得离开格拉茨。 同一年，他结识了丹麦贵族天文学家第谷·布拉赫，第谷让他研究火星的轨道。

1601年10月24日第谷去世，仅仅两天后，开普勒被任命为他的继任者，成为神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的御用数学家。 从此，第谷积累的大量观测数据落到了他的手中。

与火星的"战争"

和前人一样，开普勒起初也认为行星必须沿着"完美"的圆运动。可是第谷的火星数据怎么也套不进圆形轨道。 火星的轨道偏心率在行星中仅次于水星，圆形模型的误差因此格外明显。经过多年计算，他终于接受了数据给出的答案：轨道是椭圆，太阳在它的一个焦点上。

1612年他迁居林茨，1618年发现了行星公转周期与它到太阳距离之间的关系，并在1619年的《世界的和谐》中发表，这就是第三定律。

在此之前，1604年10月天空中出现了一颗明亮的"新星"，今天我们知道那是一颗超新星。开普勒仔细观测后指出，它没有视差，因此远在行星之外。这直接挑战了"天界永恒不变"的古老观念。 值得一提的是，他也为皇帝提供占星方面的建议，那个时代天文学与占星术的界限还远没有今天这么清楚。

家庭的悲伤与一本关于酒桶的书

开普勒的家庭生活充满了失去。1597年4月27日，他与芭芭拉·穆勒结婚，两人最早的两个孩子都在婴儿期夭折；1604年出生的儿子弗里德里希在1611年死于天花，只有六岁左右，同年芭芭拉也去世了。 1613年10月30日，他再婚娶了苏珊娜·罗伊廷格，称她以爱、谦和的忠诚、持家的节俭和勤劳打动了自己。第二段婚姻中又有三个孩子早夭。 1618年，他年幼的女儿卡塔琳娜去世，他在悲痛中转向写作《世界的和谐》。 连日常小事也能让他想到数学：1613年，他对酒桶容积的计算产生了兴趣并做了观察，1615年在林茨自费印出了《酒桶的新立体几何》，这也是林茨印刷的第一本书。 一个伟大发现的背后，往往是一个在生活里也不停追问的人。

为母亲辩护

1615年，他的母亲在莱昂贝格被指控为女巫。开普勒写信、亲自奔走为母亲辩护。母亲在1620年至1621年间被关押，在酷刑威胁下仍拒不认罪，1621年10月4日获释，大约半年后去世。

晚年与影响

1627年，他出版了《鲁道夫星表》；1630年11月15日在雷根斯堡去世，享年58岁。 1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中证明，符合开普勒定律的轨道需要一个指向太阳、与距离平方成反比的力，也就是引力。 开普勒说明了行星"怎样"运动，牛顿解释了"为什么"。

跟开普勒学中文

谈论努力和发现时，这些表达很常用：

表达	意思	例句
对不上	数据或说法互相矛盾	这两组数字对不上。
从头再来	失败后重新开始	实验失败了，只好从头再来。
反复试验	一次次尝试找答案	经过反复试验，终于成功了。
碰壁	遇到阻碍	研究一度碰壁。
取得突破	在关键问题上有重大进展	团队终于取得了突破。

练习： 想一个你多次失败后才解决的问题，用"从头再来""取得突破"写三句中文。