开普勒：无人能取代的科学家

开普勒：无人能取代的科学家

约翰内斯·开普勒（1571～1630年）的祖父曾担任日耳曼西南小城卫尔的市长，但随着年岁渐长，财产递减，变得日益傲慢、暴躁且固执。开普勒的祖母在宗教上十分虔诚，但却也“焦躁、聪明、满口谎言……满心忌妒、怨恨极深，有暴力倾向，且善于记仇”。开普勒的父亲海因利希经营一家酒馆，同时也是一名佣兵，后来离弃了家人。根据开普勒的描述，他这个人“凶恶固执、动辄得咎、注定不得善终……对我母亲极坏，最后自我放逐而死”。开普勒这样描绘他的母亲凯瑟琳：“絮絮叨叨、爱吵架、性情乖戾。”开普勒是早产儿，4岁时因为罹患天花而几近失明，他一生当中病痛从未离身。

然而，他的内在视力却清晰透彻，带领他来到前人所未见的境界——关于行星运行的真相。2000年以来，从毕达哥拉斯到哥白尼，行星一直被禁闭在球体的牢笼中——这也是人类对完美天堂形象的投射。人们为了使观察结果能够符合原有的圆形框架，因而发明了各种系统。开普勒则一举击碎了这个天体牢笼，将行星如实安放于椭圆轨道上，依循自然法则和谐运行，而不是人造的法则。

尽管开普勒的童年混乱不堪，但依旧未能阻碍他智力的展露。1589年，他获得奖学金就读于图宾根大学的路德神学院。他一向拥有强烈的宗教情怀，希望有朝一日成为神学家。可不幸的是，他遭到所有同学的嘲弄、排挤，乃至殴打；在他就学期间，一直不受同辈欢迎。我们之所以知道他的悲惨生活，是因为他对自己和对别人的描述一样毫不留情。他充满各种混乱的矛盾性情——贪婪，但满足于粗茶淡饭；总在寻求认可，但又刻意恶意疏离他人；虔诚到几近迷信的地步，但在他自己眼中却又几近败德。然而，他在大学期间结识了向他引介哥白尼“太阳中心说”的天文学教授麦斯特林，两人建立了终身情谊。从开普勒对哥白尼的反应中，我们可以感受到他的热情本性。“我向哥白尼观点的真理臣服，”他写道，“并怀着无限陶醉沉思其中的和谐。”

开普勒有一种特质，使他不愿屈服于病痛或心魔，以及他所处的混乱时代。其中一部分原因可能是他的才智：不管什么学科，他总是不由自主地全心投入，特别是天文学和数学。另一部分可能是他的神秘主义倾向——他持有和毕氏学者同样的直觉，认为数学优雅的规律性乃是宇宙的基础。就像毕达哥拉斯一样，他也受到强烈的驱使，迫使他去寻找混乱经验下的和谐规律。开普勒最后也的确获得了这样的成果——尽管花了他许多年，害他走了许多冤枉路，并使他投入庞大的精力。

在开普勒1596年的著作《宇宙的奥秘》中，呈现出某些关于行星的原创思考，这是自古以来仅见的。这本书里有个想法使他遭错觉误导多年，那就是将五个正多面体层层套叠，可以说明六个行星的数量与距离。这个构想极为美妙诱人，但却是错的，后来他自己也发现了。这本书的伟大之处，在于开普勒所提出的问题，以及他回答问题所采用的物理性直观，而非形而上观点。他想了解行星为什么取其特有的距离和速度运行。一开始，他的答案以神秘术语陈述，但认为太阳必定发射有某种力量，促使行星移动；同时这种力量会随着距离而消减，就像太阳光一样。他的年少天赋驱策他不止于描述天体的运行，更进一步探索该现象的物理原因。自古到当时，还没有任何人曾经做过这样的尝试。

《宇宙的奥秘》这本书使他受到了丹麦天文学家第谷的注意，当时第谷正努力对恒星与行星进行有史以来最精确的肉眼观测。开普勒成了第谷的助理。当第谷在1601年10月24日去世后，他顺理成章接任第谷的职位，成为鲁道夫二世宫廷中的皇室数学家；更重要的是，他得以取得了第谷珍贵的宝藏——多年来观测行星的结果，特别是火星。“我必须承认，”开普勒写道，“当第谷过世时，我很快就利用他的子孙有失谨慎的弱点，将他的观测成果接收过来，或者说，占为己有。”

开普勒之所以把精力集中在研究火星上，是因为根据当时的理论，火星的运行轨道最难解释。开普勒知道，第谷观测的精确度达2分（或者说2∕60度），然而以圆形轨道为基础的运算，却无可避免地产生达8分的误差。到了1604年年底，经过众多错误转折后，开普勒终于了解到，火星不可能循圆形轨道运行，而是依照某种椭圆形轨道运行。由于他对第谷观测结果的信心，使他推翻了2000年来催眠了全人类的天堂观点。“因为这8分实在令人无法忽视，”开普勒写道，“光是它们就引发了天文学的全面革命。”

开普勒在1609年出版的《新天文学》中，发表了他头两条关于行星运行的定律。在他1618年的作品《哥白尼天文学概要》中，成果更大幅增加，当时他已经发现了他的第三定律。这些深刻的洞见如今被称为“开普勒定律”，或简称为“行星运行定律”：

1.行星依椭圆轨道运行，太阳则位于椭圆形的两焦点之一；2.从太阳到行星间画一条直线，在相同的时间间隔里，将扫出相同的面积；3.行星绕太阳一周所需时间的平方，与行星到太阳的平均距离的3次方成正比。

第一定律将行星置回真实轨道。就像亚历山大大帝一剑斩断了高地安绳结（编者按：据说无人能解开的一个绳结），开普勒凭着优雅的一击，斩断了纠结人们2000年的理论与观测之思想绳结。

开普勒对第二定律感到相当满意。它以极美妙的方式，不期然地改变了自古以来认为行星运行速度始终一致的信念。开普勒发现，事实并非如此。行星离太阳越远，运行速度就越慢；当它越靠近太阳，速度就越快；行星的加速或变缓跟它和太阳的距离呈完美的比例。

至于重要性毫不逊色的第三定律的发现，则花了他20年时间。这条定律使天文学家有史以来首度能够精准地算出行星运行轨道的相对大小。对于这项新发现的天体规律性，开普勒感到相当震惊。关于这点他写道：“上帝本人可不是也等待了将近6000年，才有人开始尝试理解他的作品吗？”

开普勒的成就是如此深刻渊博，成就的过程是这么样独特与个性化，因而学者将他列为少数无人能取代的科学家之一。“就像其他少数伟大的科学家一样，开普勒也堪享此名，”天文学史家斯蒂芬森写道：“也就是说，如果他没有达成这些成就，那么很可能也没有人能达成了。”吉利斯派也同样感到敬畏：“他拥有人类心智的伟大成就，其新意唯有相对论能相提并论，因为两者同样改变了科学于大自然所发现的基本形态。”

开普勒赤手空拳地发明了物理天文学，他是第一位将天文学置于物理学基础上的科学家。更特别的是，开普勒的伟大发现却是立足于错误本质的物理学理论。“该物理学本质上是谬误的，因为他缺乏现代的惯性概念。”斯蒂芬森说。开普勒确实曾尝试探索改良对重力的理解，他所达到的程度，是将重力视为同类物体之间的吸引力；他甚至了解月球重力与潮汐之间的关联。然而他并未瞥见重力在行星运动中的重要作用——这点就要靠半世纪后的牛顿了。由于开普勒智性上的诚实以及对第谷观测成果的尊敬，使他得以暂时搁置自己原本对太阳系结构所持的神秘概念，并超越原来对于促使行星运行力量的谬误想法，最终达到了真理。“那些物理原则本身……几乎在所有细项上都是错的，”斯蒂芬森写道，“但天文学的部分却好得令人吃惊，前所未有的好。”

有趣的是，开普勒从未放弃他那极度神秘的世界观。1619年，他出版了《宇宙和谐论》，在书中他再度唤醒毕达哥拉斯之魂，企图将几何学、音乐、天文学与占星术联结到基础几何比例之中——也就是世界的和谐。尽管开普勒对于占星术的许多说法持质疑的态度，但他却终生奉行。毫无疑问地，开普勒的定律引导牛顿发现了正确的重力与惯性概念，但同样无疑的是，在牛顿物理学打造出来的机械宇宙中，开普勒也不会自在的。

至于开普勒的私人生活，则毫无和谐可言。他处于宗教剧变的年代，经常因为宗教因素而搬家。路德教派一度拒绝他领受圣餐，后来天主教会则没收了他的图书馆，强迫他的孩子去望弥撒。他第一任妻子和6个孩子相继去世。1615年到1621年期间，他投入许多时间和资源协助他母亲反击有关她“施行巫术”的指控。他成功地帮她洗清了罪名，但她却在几个月后过世了。开普勒自己也在1630年离开人世，享年58岁，后来他的坟墓也在30年战争的兵荒马乱中消失了。

开普勒多才多艺，他聪明过人，自我鞭策，坚毅能忍，具有强烈的自觉性。在其独特天分的激发下，他终其一生都在黑暗与混沌中开疆辟土，向我们揭示行星随之起舞的优雅和谐。我们对他亏欠甚深。

（摘自广西科学技术出版社《他们创造了科学：改变人类命运的科学先驱》 作者：罗伯特·阿德勒 译者：邱文宝 等）