開普勒：無人能取代的科學家

開普勒：無人能取代的科學家

約翰內斯·開普勒（1571～1630年）的祖父曾擔任日耳曼西南小城衛爾的市長，但隨著年歲漸長，財產遞減，變得日益傲慢、暴躁且固執。開普勒的祖母在宗教上十分虔誠，但卻也“焦躁、聰明、滿口謊言……滿心忌妒、怨恨極深，有暴力傾向，且善于記仇”。開普勒的父親海因利希經營一家酒館，同時也是一名傭兵，后來離棄了家人。根據開普勒的描述，他這個人“兇惡固執、動輒得咎、注定不得善終……對我母親極壞，最后自我放逐而死”。開普勒這樣描繪他的母親凱瑟琳：“絮絮叨叨、愛吵架、性情乖戾。”開普勒是早產兒，4歲時因為罹患天花而幾近失明，他一生當中病痛從未離身。

然而，他的內在視力卻清晰透徹，帶領他來到前人所未見的境界——關于行星運行的真相。2000年以來，從畢達哥拉斯到哥白尼，行星一直被禁閉在球體的牢籠中——這也是人類對完美天堂形象的投射。人們為了使觀察結果能夠符合原有的圓形框架，因而發明了各種系統。開普勒則一舉擊碎了這個天體牢籠，將行星如實安放于橢圓軌道上，依循自然法則和諧運行，而不是人造的法則。

盡管開普勒的童年混亂不堪，但依舊未能阻礙他智力的展露。1589年，他獲得獎學金就讀于圖賓根大學的路德神學院。他一向擁有強烈的宗教情懷，希望有朝一日成為神學家。可不幸的是，他遭到所有同學的嘲弄、排擠，乃至毆打；在他就學期間，一直不受同輩歡迎。我們之所以知道他的悲慘生活，是因為他對自己和對別人的描述一樣毫不留情。他充滿各種混亂的矛盾性情——貪婪，但滿足于粗茶淡飯；總在尋求認可，但又刻意惡意疏離他人；虔誠到幾近迷信的地步，但在他自己眼中卻又幾近敗德。然而，他在大學期間結識了向他引介哥白尼“太陽中心說”的天文學教授麥斯特林，兩人建立了終身情誼。從開普勒對哥白尼的反應中，我們可以感受到他的熱情本性。“我向哥白尼觀點的真理臣服，”他寫道，“并懷著無限陶醉沉思其中的和諧。”

開普勒有一種特質，使他不愿屈服于病痛或心魔，以及他所處的混亂時代。其中一部分原因可能是他的才智：不管什么學科，他總是不由自主地全心投入，特別是天文學和數學。另一部分可能是他的神秘主義傾向——他持有和畢氏學者同樣的直覺，認為數學優雅的規律性乃是宇宙的基礎。就像畢達哥拉斯一樣，他也受到強烈的驅使，迫使他去尋找混亂經驗下的和諧規律。開普勒最后也的確獲得了這樣的成果——盡管花了他許多年，害他走了許多冤枉路，并使他投入龐大的精力。

在開普勒1596年的著作《宇宙的奧秘》中，呈現出某些關于行星的原創思考，這是自古以來僅見的。這本書里有個想法使他遭錯覺誤導多年，那就是將五個正多面體層層套疊，可以說明六個行星的數量與距離。這個構想極為美妙誘人，但卻是錯的，后來他自己也發現了。這本書的偉大之處，在于開普勒所提出的問題，以及他回答問題所采用的物理性直觀，而非形而上觀點。他想了解行星為什么取其特有的距離和速度運行。一開始，他的答案以神秘術語陳述，但認為太陽必定發射有某種力量，促使行星移動；同時這種力量會隨著距離而消減，就像太陽光一樣。他的年少天賦驅策他不止于描述天體的運行，更進一步探索該現象的物理原因。自古到當時，還沒有任何人曾經做過這樣的嘗試。

《宇宙的奧秘》這本書使他受到了丹麥天文學家第谷的注意，當時第谷正努力對恒星與行星進行有史以來最精確的肉眼觀測。開普勒成了第谷的助理。當第谷在1601年10月24日去世后，他順理成章接任第谷的職位，成為魯道夫二世宮廷中的皇室數學家；更重要的是，他得以取得了第谷珍貴的寶藏——多年來觀測行星的結果，特別是火星。“我必須承認，”開普勒寫道，“當第谷過世時，我很快就利用他的子孫有失謹慎的弱點，將他的觀測成果接收過來，或者說，占為己有。”

開普勒之所以把精力集中在研究火星上，是因為根據當時的理論，火星的運行軌道最難解釋。開普勒知道，第谷觀測的精確度達2分（或者說2∕60度），然而以圓形軌道為基礎的運算，卻無可避免地產生達8分的誤差。到了1604年年底，經過眾多錯誤轉折后，開普勒終于了解到，火星不可能循圓形軌道運行，而是依照某種橢圓形軌道運行。由于他對第谷觀測結果的信心，使他推翻了2000年來催眠了全人類的天堂觀點。“因為這8分實在令人無法忽視，”開普勒寫道，“光是它們就引發了天文學的全面革命。”

開普勒在1609年出版的《新天文學》中，發表了他頭兩條關于行星運行的定律。在他1618年的作品《哥白尼天文學概要》中，成果更大幅增加，當時他已經發現了他的第三定律。這些深刻的洞見如今被稱為“開普勒定律”，或簡稱為“行星運行定律”：

1.行星依橢圓軌道運行，太陽則位于橢圓形的兩焦點之一；2.從太陽到行星間畫一條直線，在相同的時間間隔里，將掃出相同的面積；3.行星繞太陽一周所需時間的平方，與行星到太陽的平均距離的3次方成正比。

第一定律將行星置回真實軌道。就像亞歷山大大帝一劍斬斷了高地安繩結（編者按：據說無人能解開的一個繩結），開普勒憑著優雅的一擊，斬斷了糾結人們2000年的理論與觀測之思想繩結。

開普勒對第二定律感到相當滿意。它以極美妙的方式，不期然地改變了自古以來認為行星運行速度始終一致的信念。開普勒發現，事實并非如此。行星離太陽越遠，運行速度就越慢；當它越靠近太陽，速度就越快；行星的加速或變緩跟它和太陽的距離呈完美的比例。

至于重要性毫不遜色的第三定律的發現，則花了他20年時間。這條定律使天文學家有史以來首度能夠精準地算出行星運行軌道的相對大小。對于這項新發現的天體規律性，開普勒感到相當震驚。關于這點他寫道：“上帝本人可不是也等待了將近6000年，才有人開始嘗試理解他的作品嗎？”

開普勒的成就是如此深刻淵博，成就的過程是這么樣獨特與個性化，因而學者將他列為少數無人能取代的科學家之一。“就像其他少數偉大的科學家一樣，開普勒也堪享此名，”天文學史家斯蒂芬森寫道：“也就是說，如果他沒有達成這些成就，那么很可能也沒有人能達成了。”吉利斯派也同樣感到敬畏：“他擁有人類心智的偉大成就，其新意唯有相對論能相提并論，因為兩者同樣改變了科學于大自然所發現的基本形態。”

開普勒赤手空拳地發明了物理天文學，他是第一位將天文學置于物理學基礎上的科學家。更特別的是，開普勒的偉大發現卻是立足于錯誤本質的物理學理論。“該物理學本質上是謬誤的，因為他缺乏現代的慣性概念。”斯蒂芬森說。開普勒確實曾嘗試探索改良對重力的理解，他所達到的程度，是將重力視為同類物體之間的吸引力；他甚至了解月球重力與潮汐之間的關聯。然而他并未瞥見重力在行星運動中的重要作用——這點就要靠半世紀后的牛頓了。由于開普勒智性上的誠實以及對第谷觀測成果的尊敬，使他得以暫時擱置自己原本對太陽系結構所持的神秘概念，并超越原來對于促使行星運行力量的謬誤想法，最終達到了真理。“那些物理原則本身……幾乎在所有細項上都是錯的，”斯蒂芬森寫道，“但天文學的部分卻好得令人吃驚，前所未有的好。”

有趣的是，開普勒從未放棄他那極度神秘的世界觀。1619年，他出版了《宇宙和諧論》，在書中他再度喚醒畢達哥拉斯之魂，企圖將幾何學、音樂、天文學與占星術聯結到基礎幾何比例之中——也就是世界的和諧。盡管開普勒對于占星術的許多說法持質疑的態度，但他卻終生奉行。毫無疑問地，開普勒的定律引導牛頓發現了正確的重力與慣性概念，但同樣無疑的是，在牛頓物理學打造出來的機械宇宙中，開普勒也不會自在的。

至于開普勒的私人生活，則毫無和諧可言。他處于宗教劇變的年代，經常因為宗教因素而搬家。路德教派一度拒絕他領受圣餐，后來天主教會則沒收了他的圖書館，強迫他的孩子去望彌撒。他第一任妻子和6個孩子相繼去世。1615年到1621年期間，他投入許多時間和資源協助他母親反擊有關她“施行巫術”的指控。他成功地幫她洗清了罪名，但她卻在幾個月后過世了。開普勒自己也在1630年離開人世，享年58歲，后來他的墳墓也在30年戰爭的兵荒馬亂中消失了。

開普勒多才多藝，他聰明過人，自我鞭策，堅毅能忍，具有強烈的自覺性。在其獨特天分的激發下，他終其一生都在黑暗與混沌中開疆辟土，向我們揭示行星隨之起舞的優雅和諧。我們對他虧欠甚深。

（摘自廣西科學技術出版社《他們創造了科學：改變人類命運的科學先驅》 作者：羅伯特·阿德勒 譯者：邱文寶 等）