在古代，人們對(duì)于天體的運(yùn)動(dòng)存在兩種對(duì)立的看法。一種是地心說，即地球是宇宙的中心，是靜止不動(dòng)的，太陽、月亮以及其他星體都繞著地球運(yùn)動(dòng)；另一種是日心說，即太陽是靜止不動(dòng)的，地球及其他行星都繞太陽運(yùn)動(dòng)。開普勒的出現(xiàn)最終結(jié)束了這一爭(zhēng)論，在第谷研究成果的基礎(chǔ)上，他發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，分別是軌道定律、面積定律、周期定律。這三大定律最終使他贏得了“天空立法者”的美名。
關(guān)于地心說，世界各古代民族從樸素直觀的觀念出發(fā)，最初都是主張地心說的，例如中國古代的渾天說。最典型的地心說是古希臘哲學(xué)家們提出的。公元前 4 世紀(jì)，柏拉圖在他的《蒂邁歐篇》里提出，天體代表著永恒的、神圣的、不變的存在，它們必然是沿著最完美的圓形軌道繞地球作勻速運(yùn)動(dòng)，行星運(yùn)動(dòng)也是勻速圓周運(yùn)動(dòng)的組合。從這一觀念出發(fā)，他建立了以地球?yàn)橹行牡耐那蚴降挠钪婺Ｐ?。其后，克尼多斯的歐多克斯、卡利普斯和亞里士多德又發(fā)展了他的學(xué)說。為了使地心說也能解釋行星亮度的變化，公元前 3 世紀(jì)的阿波隆尼又提出了本輪均輪的概念，認(rèn)為所有的天體都沿著本輪作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，本輪的中心又沿著均輪作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球則處在均輪的中心。本輪均輪系統(tǒng)到公元 2 世紀(jì)的托勒密時(shí)，發(fā)展到了完備的程度。他在其巨著《天文學(xué)大成》中，用本輪、均輪、偏心輪、等大輪等一系列圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)每個(gè)天體找出一種組合，用以預(yù)告它的位置。這個(gè)預(yù)告與實(shí)際相差在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未超過 2 度，這是本輪均輪系統(tǒng)之所以能沿用 1400 年多的認(rèn)識(shí)論原因。另外，還可以舉出兩條社會(huì)原因：一是與一般人的常識(shí)相吻合；二是不違背亞里士多德物理學(xué)和宗教教義。
而日心說，最早是由古希臘學(xué)者阿利斯塔克在公元前 3 世紀(jì)提出的，他認(rèn)為恒星所在的天球不動(dòng)，地球每日繞軸自轉(zhuǎn)一周，同時(shí)在一年中又繞太陽公轉(zhuǎn)一周，并以此解釋天體的種種運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)模型中，地球失去了特殊身份，它與五大行星一起繞著太陽轉(zhuǎn)，太陽在中心巍然不動(dòng)。這個(gè)模型與以地球?yàn)橹行牡耐那蚰Ｐ拖啾?，不但?jiǎn)單，而且能解釋阿波隆尼以前的地心說所無法解釋的行星亮度的變化。但是，它在觀念上與當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為地球是宇宙中心的傳統(tǒng)看法相沖突；在經(jīng)驗(yàn)上并沒有觀測(cè)到應(yīng)該存在的“視差”現(xiàn)象，也不能預(yù)報(bào)天象，因而它未能為當(dāng)時(shí)的人們所接受。隨著航海事業(yè)的發(fā)展、觀測(cè)技術(shù)的提高和地心說的本輪均輪體系日趨復(fù)雜，15 世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)展了阿利斯塔克的日心說思想，寫了《天體運(yùn)行論》一書。他在該書中提出了一個(gè)以太陽為中心的行星系統(tǒng)，為天文學(xué)的發(fā)展開辟了一條新途徑。
開普勒，公元 1571 年出生在德國，在很小的時(shí)候就接觸到并喜愛上了天文學(xué)，而這種喜愛貫穿了他的一生。17 歲那年，開普勒進(jìn)入圖賓根大學(xué)學(xué)習(xí)，攻讀神學(xué)，當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家拒不接受哥白尼的日心說，而他聽到哥白尼對(duì)日心學(xué)說所做的合乎邏輯的闡述，選擇相信了這一學(xué)說。1588 年開普勒獲得學(xué)士學(xué)位，三年后獲得碩士學(xué)位，隨后在格拉茨研究院當(dāng)了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學(xué)著作《宇宙的秘密》（1596 年）。雖然開普勒在該書中提出的學(xué)說完全錯(cuò)誤，但卻從中非常清楚地顯露出他的數(shù)學(xué)才能和富有創(chuàng)見性的思想。1600 年， 30 歲的開普勒貿(mào)然給素不相識(shí)的丹麥天文學(xué)家第谷寫信，他把自己研究天文學(xué)的成果和想法告訴了第谷。第谷看后，對(duì)開普勒的才華驚嘆不已，立即寫信邀請(qǐng)他來當(dāng)自己的助手，開普勒接受了這一邀請(qǐng)。
第谷，最后一位也是最偉大的一位用肉眼觀測(cè)天象的天文學(xué)家。在他整個(gè)研究時(shí)期，一直堅(jiān)持進(jìn)行出色的精確觀測(cè)，達(dá)到了用肉眼所能達(dá)到的最佳觀測(cè)效果。由于大氣折射，觀察到的天體位置會(huì)有所變化，他和其他一些天文學(xué)家一樣也考慮到了這點(diǎn)，還校正了儀器的誤差。他對(duì)于星象的觀測(cè)，其精確嚴(yán)密在當(dāng)時(shí)達(dá)到了前所未有的程度。其編纂的星表的數(shù)據(jù)甚至已經(jīng)接近了肉眼分辨率的極限，這讓人瞠目結(jié)舌。不幸的是，18 個(gè)月后，第谷去世了，開普勒以全部精力整理第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)，企望求得對(duì)行星運(yùn)動(dòng)軌道的更準(zhǔn)確的描述。
開普勒認(rèn)為，通過對(duì)第谷的記錄做仔細(xì)的數(shù)學(xué)分析可以確定哪個(gè)行星運(yùn)動(dòng)學(xué)說是正確的：哥白尼日心說，古老的托勒密地心說，或許是第谷本人提出的第三種學(xué)說。但是經(jīng)過多年煞費(fèi)苦心的數(shù)學(xué)計(jì)算，開普勒發(fā)現(xiàn)第谷的觀察與這三種學(xué)說都不符合，他的希望破滅了。 最終開普勒認(rèn)識(shí)到了所存在的問題：他與第谷、拉格茨·哥白尼以及所有的經(jīng)典天文學(xué)家一樣，都假定行星軌道是由圓或復(fù)合圓組成的，但是實(shí)際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。就在找到基本的解決辦法后，開普勒仍不得不花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間來進(jìn)行復(fù)雜而冗長(zhǎng)的計(jì)算，以證實(shí)他的學(xué)說與第谷的觀察相符合。于是他應(yīng)用第谷臨終前遺贈(zèng)給他的大量火星觀測(cè)資料深入研究火星的運(yùn)動(dòng)，他認(rèn)為行星運(yùn)動(dòng)軌道的焦點(diǎn)應(yīng)該在產(chǎn)生引力中心的太陽上，并進(jìn)而斷定火星運(yùn)動(dòng)的線速度不是勻速的，近太陽時(shí)快些，遠(yuǎn)太陽時(shí)慢些，并得出結(jié)論：：太陽至火星的直徑在一天內(nèi)掃過的面積是相等的。開普勒把這結(jié)論推廣到其他行星上，結(jié)果也是與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。就這樣，他首先得到了行星運(yùn)行的等面積定律。隨后他發(fā)現(xiàn)火星運(yùn)行的軌道不是正圓，而是焦點(diǎn)位于太陽上的橢圓，他把這結(jié)論應(yīng)用于其他行星也是適用的。于是他又得到了行星運(yùn)行的橢圓軌道定律。這兩條定律發(fā)表在他 1609 年出版的《新天文學(xué)》一書上。但他對(duì)自已取得的成就還不滿足，他渴望找到一種能適合所有行星的總體模式，把各行星聯(lián)系在一起。他堅(jiān)信存在著一個(gè)把全體行星完整地聯(lián)系在一起的簡(jiǎn)單法則。在這個(gè)信念鼓舞下，經(jīng)過九年的反復(fù)計(jì)算和假設(shè)，他終于在 1618 年找到在大量觀測(cè)數(shù)據(jù)后面隱匿的數(shù)的和諧性：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它們到太陽的平均距離的立方成正比。這就是周期定律。1619 年，他在《宇宙的和諧》一書中介紹了第三定律，他情不自禁地寫道：”認(rèn)識(shí)到這一真理，這是超出我的最美好的期望的。大局已定，這本書是寫出來了，可能當(dāng)代有人閱讀，也可能是供后人閱讀的。它很可能要等一個(gè)世紀(jì)才有信奉者一樣，這一點(diǎn)我不管了。”
開普勒一生飽受疾病、貧困、情感的折磨，身患?xì)埣?，結(jié)過兩次婚，有 12 個(gè)孩子，經(jīng)濟(jì)十分困難，還要花費(fèi)大量的時(shí)間設(shè)法使母親在不受拷打的情況下獲得釋放，這一切都沒有阻止他對(duì)科學(xué)的研究。他所創(chuàng)立的開普勒定律注定在科學(xué)史上留下濃墨重彩的一筆，并且產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，開普勒定律在科學(xué)思想上表現(xiàn)出了無比勇敢的創(chuàng)造精神。遠(yuǎn)在哥白尼創(chuàng)立日心宇宙體系之前，許多學(xué)者對(duì)于天動(dòng)地靜的觀念就提出過不同見解。但對(duì)天體遵循完美的均勻圓周運(yùn)動(dòng)這一觀念，從未有人敢懷疑。開普勒卻毅然否定了它。這是個(gè)非常大膽的創(chuàng)見。哥白尼知道幾個(gè)圓合并起來就可以產(chǎn)生橢圓，但他從來沒有用橢圓來描述過天體的軌道。正如開普勒所說，“哥白尼沒有覺察到他伸手可得的財(cái)富”。 其次，開普勒定律徹底摧毀了托勒密的本輪系，把哥白尼體系從本輪的桎梏下解放出來，為它帶來充分的完整和嚴(yán)謹(jǐn)。哥白尼拋棄古希臘人的一個(gè)先入之見，即天與地的本質(zhì)差別，獲得一個(gè)簡(jiǎn)單得多的體系。但它仍須用三十幾個(gè)圓周來解釋天體的表觀運(yùn)動(dòng)。開普勒卻找到最簡(jiǎn)單的世界體系，只用七個(gè)橢圓說就全部解決了。從此，不須再借助任何本輪和偏心圓就能簡(jiǎn)單而精確地推算行星的運(yùn)動(dòng)。 再然后，開普勒定律使人們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)得到明晰概念。它證明行星世界是一個(gè)勻稱的（即開普勒所說的“和諧”）系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的中心天體是太陽，受來自太陽的某種統(tǒng)一力量所支配。太陽位于每個(gè)行星軌道的焦點(diǎn)之一。行星公轉(zhuǎn)周期決定于各個(gè)行星與太陽的距離，與質(zhì)量無關(guān)。而在哥白尼體系中，太陽雖然居于宇宙“中心”，卻并不扮演這個(gè)角色，因?yàn)闆]有一個(gè)行星的軌道中心是同太陽相重合的。 最后，利用前人進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和記錄下來的數(shù)據(jù)而作出科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)史上是不少的。但像行星運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)現(xiàn)那樣，從第谷的 20 余年辛勤觀測(cè)到開普勒長(zhǎng)期的精心推算，道路如此艱難，成果如此輝煌的科學(xué)合作，則是罕見的。這一切都是在沒有望遠(yuǎn)鏡的條件下得到的！
開普勒的三定律是天文學(xué)的又一次革命，它徹底摧毀了托勒密繁雜的本輪宇宙體系，完善和簡(jiǎn)化了哥白尼的日心宇宙體系。開普勒對(duì)天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)在于他試圖建立天體動(dòng)力學(xué)，從物理基礎(chǔ)上解釋太陽系結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)原因。雖然他提出有關(guān)太陽發(fā)出的磁力驅(qū)使行星作軌道運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。但它對(duì)后人尋找出太陽系結(jié)構(gòu)的奧秘具有重大的啟發(fā)意義，為經(jīng)典力學(xué)的建立、牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，都做出重要的提示。 1630 年，開普勒離開人世。后來，他的墳?zāi)乖趹?zhàn)爭(zhēng)動(dòng)亂中被毀，但是他的行星運(yùn)動(dòng)定律卻是宇宙間一座永恒佇立的紀(jì)念碑。開普勒給自己寫的墓志銘被世人廣為流傳：我曾測(cè)量天空的高度，而今丈量大地的影深。精神歸于天國，身影沒于塵土。
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