開普勒與開普勒望遠(yuǎn)鏡——幾何光學(xué)時期

2021-06-18 17:34:37

    西方早期的光學(xué)幼苗，它沒有中國強(qiáng)大。直到明朝中葉，凹面鏡，凸面鏡，眼鏡，透鏡以及西方出現(xiàn)的黑匣子、滑梯等光學(xué)元件，它顯示出比中國更具前瞻性的光學(xué)視野。17世紀(jì)是光學(xué)史上的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過開普勒、斯內(nèi)爾、笛卡爾等“大神”的進(jìn)步，最后，費(fèi)馬推出光的反射和折射定律，它成為幾何光學(xué)的起源。

     今天我們來談?wù)勌煳膶W(xué)界一位非常著名的人物。他是德國杰出的天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。他叫約翰內(nèi)斯·開普勒。1571年，他出生在德國符騰堡的威爾德施塔特鎮(zhèn)。

開普勒在蒂賓根大學(xué)學(xué)習(xí)并在1588獲得學(xué)士學(xué)位，三年后我獲得了碩士學(xué)位。起初，由于其他原因，開普勒不接受哥白尼的日心說。在他就讀于圖賓根大學(xué)期間，他聽到、學(xué)習(xí)并理解了日心說的邏輯。所以他相信哥白尼的日心說。

說到開普勒，我不得不說。

     他的三條著名法律。這三個定律幫助開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動的第一定律是軌道定律，第二定律是面積定律，第三定律是周期定律。這三條定律可以概括為“所有的行星都在大小不同的橢圓中。在軌道上，同時，心連心。在軌道平面上掃過的面積相等。

行星周期的平方與它離太陽距離的立方成正比。這三條定律使開普勒在天文學(xué)上獲得了非常高的榮譽(yù)。

     大學(xué)畢業(yè)后，他在開普勒格拉茨研究所擔(dān)任教授多年。在他當(dāng)教授的幾年里，他完成了他的第一本關(guān)于天文學(xué)的書。雖然這本書中提出的許多觀點(diǎn)都是錯誤的，但我們可以清楚地理解，開普勒展現(xiàn)了自己的數(shù)學(xué)能力和豐富的創(chuàng)造性思維。

所以著名的天文學(xué)家第谷·布拉赫邀請他到布拉格附近的天文臺做他的助手，開普勒非常樂意去。

1601年第谷死后，開普勒成為第谷的繼承人。位于第谷的開普勒天文臺對行星進(jìn)行了非常仔細(xì)的觀測和大量的記錄。開普勒認(rèn)為，對第谷的記錄進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析可以確定哪個行星運(yùn)動理論是正確的。

哥白尼的日心說，托勒密的地心說，也許還有第谷提出的第三種理論，但經(jīng)過多年的數(shù)學(xué)計(jì)算，開普勒發(fā)現(xiàn)了第谷的計(jì)算。

這與這三種理論是不一致的，所以開普勒意識到?jīng)]有問題。像所有天文學(xué)家一樣，開普勒假設(shè)行星只能是由圓或復(fù)合圓組成的軌道，但事實(shí)上行星的軌道不一定是圓的，它們可能是橢圓的。

在找到基本解之后，開普勒花了數(shù)月時間進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。這證明他的理論與他自己的觀察非常一致。開普勒研究了這個物體的運(yùn)動特性。

開普勒也是現(xiàn)代光學(xué)的創(chuàng)始人。他研究針孔成像，并從幾何光學(xué)的角度加以解釋。他指出，光的強(qiáng)度與距離光源的平方成反比。開普勒還研究了光的折射，他最早發(fā)表并提出了光和光數(shù)的表達(dá)式。他把伽利略望遠(yuǎn)鏡的凹透鏡改成了凸透鏡，這就是開普勒望遠(yuǎn)鏡。

開普勒式望遠(yuǎn)鏡（The Kepler telescope），折射式望遠(yuǎn)鏡的一種。物鏡組也為凸透鏡形式，但目鏡組是凸透鏡形式。這種望遠(yuǎn)鏡成像是上下左右顛倒的，但視場可以設(shè)計(jì)的較大，最早由德國科學(xué)家開普勒（Johannes Kepler）于1611年發(fā)明。為了成正立的像，采用這種設(shè)計(jì)的某些折射式望遠(yuǎn)鏡，特別是多數(shù)雙筒望遠(yuǎn)鏡引在光路中增加了轉(zhuǎn)像稜鏡系統(tǒng)。此外，幾乎所有的折射式天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)為開普勒式

開普勒還發(fā)現(xiàn)了大氣折射的近似定律。他首先認(rèn)為大氣是有重量的，在此基礎(chǔ)上，他解釋說，月全食時月球的紅色是由地球大氣投射到月球上的一部分太陽光造成的。

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開普勒的人生經(jīng)歷是不幸的。17歲時，他的父親去世了。1620年，他的母親也去世了。26歲時，他娶了一個名門望族的寡婦。但是他的妻子讓他很少感受到家庭的溫暖，所以在前妻去世后，她選擇了一個貧窮的女人作為她的伴侶。雖然她的關(guān)系很好，但她經(jīng)濟(jì)上常常很窮。

戰(zhàn)爭期間，開普勒的工資一再推遲，無法及時支付。1630年，他有好幾個月沒有薪水了。他不得不去雷根斯堡向皇帝要錢。到了那里后，他突然熱起來。幾天后，他死于貧窮和饑餓。

59歲時，他被安葬在拉蒂斯本的圣彼得堡教堂。三十年的戰(zhàn)爭使他的墳?zāi)够癁闉跤小?/span>

但沒有墓碑能比得上。他是天文學(xué)、物理學(xué)的偉大奠基人，也是光學(xué)研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的人才之一。他為后來的著名科學(xué)家如牛頓提供了大量的經(jīng)驗(yàn)和知識。