开普勒与弟谷的天文研究

开普勒与弟谷的天文研究

引言——牛顿曾经说过：“我之所以比别人看的更远，是因为我站在巨人的肩膀上。”

摘要

开普勒与第谷于欧洲文艺与社会改革时期，在这个动

乱的年代，开普勒与第谷在天文学方面做出了重大的贡献，他们的伟大 发现不仅改变了人们对天文的错误认识，同时也为后世的天文学家的发 现和牛顿万有引力的发现做了坚实的基础。他们既是天文学的创立者， 也是天文学的奠基者。开普勒发现了“开普勒三定律”, 即行星运行定 律，日冕现象，证明了哥白尼的“日心说”。开普勒的天文发现挑战了 封建神权学说，在科学与神权的斗争中，开普勒坚定地站在了科学的一 边，用自己孱弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念， 推动了唯物主义世界观的发展，使人类科学向前跨进了一大步。 第谷 发现了超新星的爆发，观测到了彗星，改变了亚里士多德的天体不变原 理。第谷的一生在天文观测方面所取得的成果，为近代天文学的发展奠 定了坚实的基础。他们的理论与发现，是天文学的一次重大改革，为牛 顿的万有引力定律的发现打下了坚实的基础，他们就是牛顿所站在的“巨 人的肩膀”上的人。

开普勒与第谷生活的社会背景

社会背景

在17世纪科学革命中，物理学与形而上学、科学与宗教、数学与

原型等多方面思想因素相互纠结、共同作用而导致了科学上的重大发现。开普勒与第谷所处的年代正值欧洲从封建主义社会向资本主义社会转变

的时期。在这个动乱的年代，他们面临着挑战封建神权的危险。不过在欧

洲文艺复兴时期，人民的解放思潮不断高展，旧的社会逐渐在被新的社会

代替，资本主义的萌芽在逐渐成长，同时学术方面与科学研究也在不断的

发展，人们逐渐对封建主义的错误观点开始产生怀疑。与此同时，商品经

济在逐渐发展，各个学术方面都在进行革命。因此这也将在天文学发生一

场革命。

奠基者们的业绩

（1）、哥白尼的日心说 他1543年发表了《天体运行论》一书，

全面阐述了他的日心说。其要点是：太阳是宇宙的中心，所有行星在以太

阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转

并与其它行星一样绕太阳公转；根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳

的东升西落不是太阳绕地球旋转而是地球自转的表现；天上的恒星位置每

年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太阳公转的结

果。以现代人的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上

纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心说和地静说的错误。当哥白尼

的学说为世人所接受后，它就不可避免的动摇了教会的权威。1616年，

教会宣布哥白尼的学说为“异端”并禁止传播。

(2),托勒密的贡献：他的著作《大综合论》对伊巴谷的理论做了

系统发挥，是一部古代天文学的百科全书。它用了近80个圆周来解释天

体运动，把宇宙体系绘制成一幅合乎逻辑的完善的数学图解。它对一些天

文现象也做出了解释，能够反映一定的天体运行的状况。但是它把地球设

想为宇宙的中心，则从根本上歪曲了天体运动的本来面貌。这虽然是错误

的，但也给天文学带来了很大的影响。同时他也论述了太阳的不规则运动

和年的长度，以及月亮运动的理论。介绍了很多天文仪器，包括视差测定

规，天球仪，象限仪，水时计等等，并介绍了推算日月距离的方法。记录

了1080颗恒星的行表。是西方非常有成就的天文学家。

生平简介

第谷 布拉赫的生平

第谷布拉赫于1546年12月4日诞生在斯堪尼亚的克努兹特鲁普。他出身于一个丹麦贵族家庭，父亲是丹麦的枢密顾问官，赫尔辛堡城总督。第谷姐妹众多，从小过继给了伯父，自幼爱好观测天象。他还是一个孩子

的时候就进了哥本哈根大学。在那期间，一次在预报的时间发生的日食引

起了他的好奇心，使他的兴趣转向了天文学。他开始找读托勒密的著作，并于1563年木星和土星相合时作了他第一次有记录的天文观测。第谷甚

至用自制的粗糙的仪器进行观测就能，按照普鲁士表或别的星表计算的行

星位置与实际观测的行星位置之间存在严重的偏差。离开哥本哈根之后，第谷先后又在莱比锡大学，罗斯托克大学和巴塞尔大学求学，在大学期间

都求教育第一流的数学家和天文教师。

1565年后到欧洲各地游学与考察。

1570年，第谷回到了丹麦，此后一段时间曾投身于化学研究。赐

给他

1572年11月仙后座中一颗引人注目的新星的出现又马上把自己

的兴趣引到了天文学中。这个现象持续了8个月左右，在这颗新星可

见期之间，他不断地跟踪观测其亮度和色彩的变化。

1573年发表了一篇专文《论新星》。，并于这一年冲破家族反对，

与农家女子结婚。

在周游欧洲的旅行中，第谷拜访了黑森的兰德格拉芙 威廉四世。

1576年，丹麦国王弗里德里希二世在兰德格拉芙 威廉四世的请求之

下，决定支柱第谷，赐予他第一笔经费又把赫威恩岛赐给他作为天文

台的台址。第谷从1576到1579年一直在赫威恩岛进行观测。

1577年11月13日，第谷在汶岛首次发现了一颗拖着狠长尾巴

的大彗星。

1588年丹麦国王去世，第谷失去了新国王的恩宠，朝廷对他的

工作也失去了兴趣，撤销了对他的资助，于1579年他离开了乌拉尼堡。

随后，他去德国拜访了汉堡附近的一位贵族，他在那写了《力学

重建的天文学》一书，记录了他的生平和他的各种仪器和方法，于1589

年发表。

1589年，应德国的皇帝鲁道夫二世的邀请到布拉格，第二年，

国王赐予了一笔资金，并在布拉格附近的城堡为他建了一座天文台。

在这期间，他得到了一位助手——来自德国的约翰开普勒，两人开始

了天文方面的合作。

1597年3月15日，第谷在汶岛做了最后一次观测。

1601年10月23日去世，并把所有观测数据交给了开普勒，让

开普勒继承他的研究工作。

约翰开普勒的生平

约翰开普勒于1571年12月27日出生在斯图加特附近的魏尔。

他的父亲在符腾堡公爵属下的新教教会中任职，全家经营一家小酒店

生活。开普勒是个早产儿，体质很差，自幼羸弱多病，四岁时患上了

天花和猩红热病，因此身体留下了严重的后遗症，得了高度的近视，

而父母为平穷所累，家里没有钱送他上学。不过公爵把他送到毛尔布

龙神学院就学，一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅。

1587年，他从那里转到了新教图宾根大学。

1591年，他在那里取得了硕士学位。

开普勒早期的教育是神学方面的，但在图宾根，他认识了数学家

和天文学家教授梅斯特林。梅斯特林引起了开普勒对两门学科的兴趣，

使他开始信仰哥白尼的学说。由于开普勒过于自由的思想与当时拥有

严格正统思想的教会不合，使得它无法在教会中任职。

因此在业余时间，他便专于天文研究。

1596年发表了著作《宇宙的奥妙》，也因为这本书，他成了第谷

的助手，他继续整理第谷的天文资料，两人开始了和衷的合作。第谷

去世不久，鲁道夫皇帝授予了开普勒以“帝国数学家”的称号；于是，

他继承了第谷的职位。但由于处于经济困难的处境，他不得不去教书

和搞占星术来赚点钱。

1604年9月30日，在蛇夫座附近出现了一颗新星，开普勒对这

颗新星进行了17个月的观测并发表了观测结果，历史上称这颗

新星为开普勒新星。

1607年，他观测到了一颗大彗星，即后来的哈雷慧星。

1609年发表了伟大著作《新天文学》，提出了行星运动第一定律，

行星运动第二定律》

1612年他离开了布拉格去林茨，在那里教学，兼做监督勘测

作业的工作。尽管他处于当时的情况下，他继续坚持他的任务，一是

要研究出一套于哥白尼相一致的行星理论；二是根据第谷的观测数据

结果编行星表。

1613年他的妻子病故，他又与一个贫穷家的女子结婚。

1618年，三十年战争爆发，开普勒被迫离开林茨，前往意大

利波轮那大学任教。

经济困难，宗教仇恨及别的事干扰延迟了星表的编制工作。

又一次，他的母亲被指控犯有巫术罪名而受审，于是他不得不赶去搭

救她，最后，他被迫离开林茨而来到了乌尔姆。1627年，他在乌尔姆

发表了《鲁道夫星表》。因为开普勒的占星业绩，他到罗斯托克当天文

教授。

1630年11月5日逝世。

在天文学方面的成就

一，第谷的贡献

第谷布拉赫主要研究了天文学的大多数问题，精确的测量的大多

数重要的天文常数，制造了一些测量的仪器。他最大的贡献在于全面

改进和创造了古典观天仪器，坚持数十年的天文系统观测与记录，为

开普勒的行星运动三定律奠定了基础。

1，星球研究与发现

（1），仙后座的发现。他表明了这颗新星周围的恒星没有明显的

周日变化，也没有像行星那样的自身运动。从而他得出结论，这颗新星位

于恒星区域。第谷后来对彗星也引出了一个类似的结论。

（2），第谷概述了太阳系理论。他抛弃了哥白尼的体系而计划建

立了他自己的体系：水星，火星，金星，土星，木星等行星围绕太阳旋转，

而太阳与月球围绕地球旋转。各个星球都有各自的旋转周期，并且在 围

绕地球旋转的中共占恒星天球，而地球是宇宙的固定不动的中心。 2，天文数据观测与仪器的改造

第谷制造过可转动到任一垂直平面的象限仪，可以测量这个平面

中任何一个天体的目标方位角与高度。他借助这些仪器，做出了精准的测

量。他 用反复观测和组合观测的办法减小误差，因而在他的星表中，标

准星座的概差只有25秒左右。他花费一生的经历观测，星球位置，在1602

年他发表的星表便取代了托勒密的《至大论》。一生中，他精确的测定了

1000多个星座。

二，开普勒对天文学的贡献

开普勒是德国的天体物理学家，主要建立了物理化的日心体系，发

现了行星运动的面积、椭圆、行星运动三定律。二开普勒三定律被后世称

为“天空的立法者”。

开普勒坚持哥白尼的日心说，在哥白尼的理论基础上，结合自己的

观测结果，利用第谷对火星精确地观测结果和活性周期的确定，再加上自

己的数学知识，最后提出了日心说体系。同时也发现了行星运行的轨道是

椭圆的，提出了行星运动三定律。开普勒确立的日心说体系，在当时逐渐

被人们接受，代替了错误的地心说体系，后来伽利略用天文望远镜观测天

体，证明了日心说。

经过仔细分析，整理和推算，总结出了行星运动三定律，即：

1、开普勒第一定律

也称椭圆定律；也称轨道定律：每一个行星都沿各自的

椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

2、开普勒第二定律

开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中

的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。 这一定律实

际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。

3、开普勒第三定律

开普勒第三定律，也称调和定律；也称周期定律：各个行星绕太阳的椭圆轨道的半长轴的立方和它们的公转周期的平方成正比。 由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。

开普勒发现的行星轨道是椭圆轨道，以及开普勒三定律，是后来牛顿发现万有引力定律的基础，也为后来宇宙天体的发现与观测奠定了基础。

历史对第谷或开普勒的评价

1、第谷堪称是望远镜发明前观测天文学的登峰造极者，被誉为“星学之王”

2、马克思高度评价了开普勒的品格，称他是自己所喜爱的英雄。

3、开普勒被后世的科学史家称为“天上的立法者”

对于开普勒与第谷科学研究的的感想与启发

从力学史课上，我了解到了许多名人科学家，他们内心潜在着一种强大的力量，一种不灭的精神。而通过对开普勒和第谷生平的事件以及在天文学上取得的成就，让我更加懂得了生活的道理，学习的方法。

一、艰苦磨砺意志，艰辛成就人才。开普勒生育一个贫困的家庭，从小有受到了疾病的纠缠。可他并没有被这种环境屈服，家里没有钱送他上学，可他恳求父亲，最终父亲答应了。在学校了，开普勒勤奋的学习，成绩一直名列前茅。而在后来的研究工作中，他也以顽强的毅力坚持自己的工作。熟话说的好“穷人家的孩子早当家”。只有知道自己面临的环境的艰苦，才会学会珍惜，才会更懂得勤奋，知道自己的一切都来之不易。这让我知道生活环境的温馨尔雅不一定对自己的成长有帮助，或许要有恶劣的环境才能磨砺自己的意志，使自己有恒心，有耐力来完成自己的梦想，来面临我们的生活。对于我们90后来说，生活的环境算是不错的了，而我们在这种环境中并没有学会很多东西，相反的是，我们失去有了太多，就我们学校的同学来说，很多人在对自己的人生没有规划，迷茫的，懒散

的过着每一天；我们的内在品格也改变了许多，不懂得尊重，也不会珍惜，等等。其实很大程度上都是由于生活的环境改变了人的内在实质与品格。历史上有很多著名的科学家都受着极大的困苦或贫困或疾病，但他们却在科学领域取得了很大的成就。以我个人之见，艰苦的环境更能磨砺人的意志。

二、生活需要创新，敢于发现，善于发现。不仅仅面对科学要有敢于打破世人的创新精神，面对生活也要有敢于怀疑，敢于创新的精神。因为有了创新精神，开普勒才能大胆的提出行星椭圆运行轨道，从而有三定律。在大学生活创新更是重要，我们来大学的目的不仅是来学习新的知识，扩大自己的视野，同时重要的是来培养一种异于常人的精神。只有这样，我们才能为社会做出贡献，为自己的人生增添色彩。在发现问题的时候，学会用实践来检验事实的真理性。这时不能置之不理，要对比现实的规律，大胆的提出假设，发现问题，探讨真理，用实践来检验真理的标准。无论我们发现的问题是否对自己有用，是否有什么重大的意义，我们都应该认真的对待，或多或少我们能从中学到很多，也许是理论上的，或许是精神上的。假若我们照着前人提出的思想，顺着大势的潮流不思考，不去发现。那我们只能庸庸碌碌的过完自己的大学生活（或许是一生），面对将来的社会还是感到有无比的压力。因此，在学校里我们要敢于发现，善于发现。在课堂上要敢大胆的提问，培养自己的创新思维。

三、找到目标要坚持不懈。这或许是我们从小到大就经常听到的话吧的，从小学到大学老师一直强调，从我们牙牙学语开始爸妈就用这句话一直鼓励我们。朋友在我们失意时也经常激励我们。但是真真正正学会这一点，做到这一点的人有几个呢？从开普勒与第谷的一生中我深刻的认识到了这一点。开普勒发现的超新星，用去了他17个月；开普勒以顽强的毅力和惊人的耐心，用了九年的时间，终于从一大堆计算数字中发现了周期定律。第谷观测火星的周期与运行，用去了十几年。不只是这些事迹，几乎他们在天文学方面的成就都是他们一生的奉献。已经是大学生的我们，在学习或生活方面也经历过大大小小的事了，有失败，有成功。当你回头想起的时候 可能你会发现你的成功或多或少多是你坚持不懈的结果。因此，要想成功，就要有坚持不懈的精神。在大学生活中，可能会遇

到很大的考验与挫折，解决这个问题也许不是那么简单，这就需要我们的持之以恒的精神了，面对这种问题我们找个目标，要坚持下去，不能轻易的放弃，相信总有一天会解决这个问题。在那时，可能会发现你的成功就在那边等你。 对于我来说，我来到大学真的很迷茫，把已经确立好的梦想给丢弃，没有坚持我所要追求的，庸碌的过了四个月。在这四个月里，我感觉什么也没有学到，把我来上大学之前的目标也忘记了。这个学期，我知道了自己面对的是什么问题，因此也给自己定了一个目标——要好好的学习，在期末拿到一个好的成绩，也为自己的专业分流中选一个好的专业，一个自己喜欢的专业。在这四年里，坚持努力学习，也为将来的生活做好准备。我相信每个人都有自己的面临的问题，告诉你吧，坚持还是最重要的。

总的来说，精彩的生活需要好的品质，成功的人生需要我所诉的内在精神以及其他的精神。他能带给我们奇迹，带给我们强大的动力。其实这些点点滴滴都在于我们对生活的发现，源于生活对我们的启迪。从他人的生平事迹，他人的生活经验，我们能够受到潜移默化的影响。在力学史的课上，看到的不只是开普勒与第谷的精神，还有对物理学作出很大贡献的人。物理理论课，能让我们懂得科学家们发现的真理，并用于生活实践当中，这是对我们生活技巧的或专业知识的发展。而通过一些科学家的生平事迹，更多的了解到了，每一个物理公式背后的艰辛，每一个重大发现背后隐藏的精神。因此，我们也能好好的学习这些精神，并为我们所用，为我们的人生所用。

参考文献

《鲁道夫星表》

《西方中世纪科学史》

《论开普勒三定律》

《新天文学》