克卜勒誕辰｜科學史上的今天：12/27

2015/12/27 |

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1577年，一顆明亮的彗星突然出現在歐洲的天空，德國一位六歲的小男孩在媽媽的指引下抬頭仰望這顆星。他不知道此時此刻，他與丹麥天文學家第谷兩人的視線就相交在這顆星，他更不知道他們倆的人生軌道也將在二十三年後短暫疊合，天體運行的規律將因而由他發現，並且以他的姓氏命名──克卜勒。

約翰尼斯．克卜勒。圖／wikimedia

克卜勒研究星星是為了更了解上帝，不過他心中的上帝顯然與當時的教義有所不同，所以才會篤信哥白尼的日心說。25歲那年他出版了《宇宙的奧秘》，結合柏拉圖的正多面體，主張以太陽為核心，六大行星由內而外（當時只知有水星、金星、地球、火星、木星和土星）的繞行軌道所形成的圓球之間，恰可放入五種正多面體，而且圓球與內外的正多面體分別外接與內切。此時的哥白尼顯然認為上帝最有可能賦予宇宙這個完美對稱的幾何關係。

克卜勒將書寄送給第谷，兩人書信往返後，獲邀前往第谷在布拉格新建的天文台。克卜勒求之不得，因為第谷擁有最豐富與最精確的觀星資料，最能驗證行星模型的正確與否。不過克卜勒自1600年抵達後，第谷始終處處設防，直到他第二年病逝後才將全部資料交予克卜勒。

克卜勒一開始也是受「完美的正圓才符合上帝旨意」的傳統觀念所桎梏，針對火星先後試了七十種圓形軌道與第谷的觀測數據比對都不符合，最後才體悟出橢圓才是答案，而於1609年發表行星運動的兩個定律。第一定律是：行星以橢圓形軌道繞著太陽運行，而太陽位於橢圓形的焦點之一。第二定律則是：在相同時間內，行星與太陽的連線掃過的面積相等（因此行星離太陽遠一點時跑得慢，靠近時又跑得快一些）。

但克卜勒還想找出行星公轉週期有何規律。他花了十年時間才終於發現第三定律：公轉週期的平方與橢圓軌道半長軸的立方成正比。克卜勒三大定律成了人類首度以簡潔的數學公式精確描述自然現象的科學定律。

其實克卜勒幼時因感染天花而導致視力與雙手受損，根本不適宜研究天文學，但他還能前後花了十八年的光陰，憑一己之力從第谷累積二十年的大數據中琢磨出行星運行的定律，這背後得有多麼堅定的信念！即使他一生命運乖舛：摯友慘遭謀殺、六歲的愛子感染天花而亡、妻子死於傷寒、母親被指為女巫而受拷打，經他挺身辯護才獲釋，卻在半年後去世，他仍相信上帝打造的是一個具有和諧之美的世界，他如此寫道：「讓我們蔑視迴盪在這片高貴土地上的野蠻叫囂，重新喚起我們對和諧的瞭解與期盼。」但願他生命最後幾年流離失所、病死他鄉時，仍是懷著這樣的信仰，平靜的闔上雙眼。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。