學過自然地理的人都知道這樣的常識：太陽系的行星各自繞著橢圓形的軌道圍著太陽運轉(zhuǎn)，太陽位于橢圓兩焦點之一的位置。還知道行星繞太陽運動的速度并不相同，離太陽近時，速度較快，離太陽遠時，速度較慢。在任何一點上，向徑（太陽中心到行星中心的連線）在相等的時間所掃過的面積相等。

這兩條定律是誰首先發(fā)現(xiàn)的呢？發(fā)現(xiàn)者就是開普勒（Johannes Kepler，1571～1630，德國天文學家和占星家，行星三大運動定律的發(fā)現(xiàn)者，近代光學的奠基人，著作有《宇宙的奧秘》、《新天文學》和《宇宙諧和論》）。這兩條定律再加上行星運行周期定律，被稱為開普勒行星運動之定律。這三大定律的發(fā)現(xiàn)非常了不起，它奠定了現(xiàn)代天文學的基石。開普勒在天文學領(lǐng)域，便成了里程碑式的人物。

約翰內(nèi)斯·開普勒，1571年12月27日出生于德國符騰堡的小城魏爾。他是文藝復興時期的德國天文學家，繼哥白尼之后的第二位天空使者。

開普勒幼年體弱多病，12歲時入修道院學習。貧寒的家庭無力供養(yǎng)他上學，一直靠獎學金求學。1587年，開普勒進人圖賓根神學院后，他的老師天文學教授米夏埃爾·馬斯特林教授常常在演講中提到哥白尼，引起他學習哥白尼有關(guān)天體運行的理論和著作的興趣。在他的影響下，很快成為哥白尼學說的忠實維護者。1591年獲文學碩士學位，后曾想當路德教派牧師而學神學。但是，1594年他得到大學的有力推薦，中止了神學課程，去奧地利格拉茨的路德派高級中學任數(shù)學教師。

在這以后的幾年中，他開始研究天文學。他不懈地研究了天文學的三個問題——“行星軌道的數(shù)目、大小及運動”。1595年7月19日，他終于得到了偉大的發(fā)現(xiàn)：“可用地球來度量所有其他軌道，一個十二面體外切地球，這個十二面體就內(nèi)接于火星的天球；一個四面體外切火星軌道，這個四面體就內(nèi)接于木星天球；一個立方體外切木星軌道，這個立方體就內(nèi)接于土星天球；現(xiàn)在把一個二十四面體放人地球軌道，外切這個二十四面體的天球就是金星；把一個八面體放入金星軌道，外切這個八面體的天球就是水星。”他馬上著手闡明這一想法，寫成《宇宙的奧秘》初稿。幾經(jīng)周折之后，1596年，這本書終于出版了，并載人了法蘭克福書目之中。

《宇宙的神秘》一書而受到丹麥著名天文學家第谷的賞識，應邀到布拉格附近的天文臺做研究工作。1600年，開普勒接受帝谷的邀請，來到布拉格，成為帝谷的得力助手。兩位天文學家的會面是天文學歷史上的重大事件。正是由于兩位科學家的合作，取長補短，才使開普勒取得了里程碑性質(zhì)的成就。

開普勒的《宇宙的奧秘》在純先驗思辯的基礎(chǔ)上推導出了宇宙的結(jié)構(gòu)，而帝谷的功勞則主要是經(jīng)驗方面，不是在理論方面。帝谷的宇宙體系是介于托勒密體系和哥白尼體系之間的折衷體系，他把地球設(shè)想為月球軌道和太陽軌道的靜止中心，其余的五個行星則圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。這一體系在天文學史上沒有什么重要的價值。重要的是他進行了幾十年之久的精密天文觀察，他的技術(shù)在當時是相當高超的。帝谷由于在天文學研究過程中受到過重大的打擊，所以他總用疑惑的眼光來看待周圍的環(huán)境，不愿意公布他的天文觀察記錄。他是位頑固專橫的師傅，要求助手絕對服從他，這一點開普勒是很難做到的。

求知欲極強的、天才的開普勒，非常想把帝谷確定了的行星軌道的正確數(shù)值和他自己設(shè)想的模型對照一下，但帝谷最初并不想讓他真正地分享他的成果。只是有時在談話中才偶爾漫不經(jīng)心地談到一些無關(guān)宏旨的事情，今天提到了一個行星的遠地點，明天提到另一個行星的交點。直至開普勒立下字據(jù)，保證嚴守秘密時，他才得到火星的觀察數(shù)據(jù)。

于是，開普勒夜以繼日地研究，希望得到一個幸運的結(jié)果，他知道，只有這樣才能得到別的觀察數(shù)據(jù)。然而，要想實現(xiàn)一個愿望可不是易事，必須付出相當大的代價。1601年，第谷去世，開普勒成為第谷事業(yè)的繼承人。

他經(jīng)年累月，不知度過了多少不眠之夜，終于完成了火星的理論研究。正是這顆行星的運動使他最后探索出了天體的秘密，改變了整個天文學。從此，開普勒放棄了關(guān)于行星作圓周運動的舊思想，主張它們是在橢圓軌道上運行，太陽則位于這些橢圓的一個焦點上。

火星軌道的計算使開普勒的研究方法發(fā)生了根本變化。過去他是空想宇宙體系的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在他“汗流俠背，氣喘如牛地跟蹤著造物主的足跡”，就是說把研究整個倒了過來，依靠天體來研究幾何學，從此他開始設(shè)想建立一種沒有假設(shè)的天文學。當時，不論是地心說還是日心說，都認為行星作等速圓周運動。但開普勒發(fā)現(xiàn)，火星并非作等速圓周運動。經(jīng)過4年的觀察和苦思冥想，他發(fā)現(xiàn)火星的軌道是橢圓形，于是得出了開普勒第一定律：火星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽處于兩焦點之一的位置。隨著火星橢圓形軌道的發(fā)現(xiàn)，火星運動的計算開始全面展開。

開普勒通過計算發(fā)現(xiàn)，火星運動的速度是不均勻的，當它離太陽較近時運動得較快，離太陽較遠時運動得較慢，但不論從任何一點開始，向徑（太陽中心到行星中心的連線）在相等的時間所掃過的面積相等，這就是開普勒第二定律（面積定律）。但是，開普勒關(guān)于火星運動的著作《新天文學》在歷盡艱辛以后，直到1609年夏天才印刷出版。該書還指出兩定律同樣適用于其他行星和月球的運動，這本著作是現(xiàn)代天文學的奠基石。

然而，在當時，包括一些著名的天文學家在內(nèi)，都對開普勒的研究成果表示懷疑。開普勒看到他的著作遭到了許多人的輕視和誤解，便保持沉默。他絲毫沒失去信心，把一切希望都寄托在另外一個追求科學真理的人身上，這個人的有力評價對開普勒的這兩大定律能夠得到世人承認是至關(guān)重要的。他就是帕多瓦大學數(shù)學教授伽利略。早在格拉茨時，開普勒就想和伽利略建立聯(lián)系，他把《宇宙的奧秘》寄給了伽利略。那時，伽利略已經(jīng)覺察到他是哥白尼宇宙體系的信徒和保衛(wèi)者，認為開普勒是他“探尋真理的一位朋友”。

1610年，開普勒得知伽利略在帕多瓦用一個雙透鏡望遠鏡發(fā)現(xiàn)了四顆新行星后，他十分激動。不久后，他就得到了伽利略發(fā)現(xiàn)的詳細情況。當他得到伽利略的著作《星球的使者》后沒有幾天，就起草了一封祝賀信回敬給伽利略。此后，開普勒經(jīng)過努力終于得到了一架望遠鏡，使他能夠用自己的眼睛來檢驗伽利略的發(fā)現(xiàn)。他把觀察結(jié)果寫進了一本名為《論木星衛(wèi)星》的小冊子，為伽利略的發(fā)現(xiàn)提供了最好的旁證。

1612年，開普勒的保護人魯?shù)婪蚨辣黄韧宋唬蚨搽x開布拉格，去奧地利的林茨。當?shù)貙ｉT為他設(shè)了一個數(shù)學家的職務(wù)。他在林茨繼續(xù)研究天文學，探索各行星軌道之間的幾何關(guān)系。經(jīng)過長期繁復的計算和無數(shù)次失敗，終于發(fā)現(xiàn)了關(guān)于行星運動的第三條定律：“行星公轉(zhuǎn)周期的平方等于軌道半長軸的立方。”這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙諧和論》中。

《宇宙諧和論》凝聚了他多年的心血，以及長期繁雜的計算和無數(shù)次失敗。它不僅是第一次系統(tǒng)論述了近代科學的法則，而且也完成了古典科學的復興。它標志著天文學發(fā)展到新的高峰，使開普勒創(chuàng)立的行星運動的第三定律（周期定律），即行星繞太陽公轉(zhuǎn)運動的周期的平方與它們橢圓軌道的半長軸的立方成正比的理論得以問世。

開普勒發(fā)現(xiàn)的行星運動的三大定律，使天文學進入到一個新的階段，為經(jīng)典天文學奠定了基石。為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律打下了基礎(chǔ)。

1618～1621年，他出版了《哥白尼天文學概要》。書中敘述他對宇宙結(jié)構(gòu)和大小的觀點。在1619～1620年期間出版的《彗星論》一書中，他指出彗尾總是背著太陽，是因為太陽光排斥彗頭的物質(zhì)所造成。這是在距今兩個半世紀以前就預言了輻射壓力的存在。

開普勒當時最受到人們欽佩的工作，是1627年出版的《魯?shù)婪蛐潜怼贰＿@是根據(jù)他的行星運動定律和第谷的觀測資料編制的。根據(jù)此表可以知道行星的位置，其精確度比以前的各種星表都高，直到十八世紀中葉，它一直被視為天文學上的標準星表。他于1629年出版《稀奇的1631年天象》一書，預言1631年11月7日水星凌日現(xiàn)象，12月6日金星也將凌日。果然在預言的日期，巴黎的伽桑狄觀測到水星通過日面。這是最早的水星凌日觀測。至于那次金星凌日，因發(fā)生在夜間，在西歐看不到。

開普勒對天文學作出了卓越的貢獻。然而，這位偉大的科學家一生都是在極端艱難貧困和操勞跋涉中度過的。1630年，他有幾個月得不到薪俸，經(jīng)濟困難，不得不親自前往雷根斯堡索取。到那里后他突然發(fā)燒，幾天后，即1630年11月15日，開普勒在貧病交困中寂然離世。在他墓碑上寫著：“我欲測天高，現(xiàn)在量地深。上蒼賜我靈魂，凡俗的肉體安睡地下。”