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四百年前的今年，两件大事标志着科学家和历史学家今天认为的现代天文学的诞生。其中第一件事，伽利略开始使用望远镜进行观测，已被剧作家和作家不朽化，并被广泛宣传为国际天文年的基石周年纪念日。通过他的望远镜，这位意大利天文学家看到了月球上的山脉和峡谷、木星的卫星以及太阳黑子，这些观测结果将在否定盛行的、教会认可的以地球为中心的宇宙观方面发挥巨大作用。
第二件事并不为人所知，但可以说是同等重要的。那是约翰内斯·开普勒的《新天文学》（Astronomia Nova）于 1609 年出版，这是一篇论文，其中这位德国天文学家介绍了他描述行星运动的定律中的前两条。
第一定律指出，行星围绕太阳沿椭圆轨道运行，并将太阳的位置描述为该椭圆的焦点。第二定律指出，连接行星和太阳的一条假想线将在给定的时间段内扫过大小相等的区域，无论该时间段落在轨道上的哪个位置。
开普勒后来又引入了另一条定律，这条定律将轨道的尺寸与完成该轨道所需的时间联系起来。他还对光学做出了根本性的贡献，研究了针孔相机、望远镜和人眼如何形成图像，并开发了矫正近视和远视的镜片的原理。他创造了“轨道”和“卫星”这两个词，并解释了月球如何引起海洋潮汐。
哈佛-史密森天体物理中心的荣誉退休天文学和科学史教授欧文·金格里奇说：“他是一位天文学家的天文学家。”
开普勒于 1571 年出生于今天德国巴登-符腾堡州的魏尔德斯塔特镇。他的父母并不富裕：他的父亲是雇佣兵，母亲是家庭主妇，后来被指控为巫婆。开普勒从小就内向多病，但在数学方面表现出色。他决定加入神职人员，并获得奖学金进入蒂宾根大学，在那里他第一次接触到波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼的作品。
1609 年，公认的观点是地球静止于宇宙中心，月球、太阳和行星围绕它运行。恒星位于更远处，以球形环绕地球。这种天体观点起源于希腊人，并在公元二世纪被克劳狄乌斯·托勒密正式确立为天文学系统。托勒密天文学并不简单——为了模拟行星的运动，它使用了由圆形和本轮组成的复杂系统——但它已被接受为真理将近一千五百年。
16 世纪中期，哥白尼提出了另一种日心系统，其中太阳是宇宙的中心，地球和其他行星围绕它运行。哥白尼关于日心说的论文《天体运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）于 1543 年出版。开普勒在蒂宾根大学读书时发现了它，并深受哥白尼观点的吸引。
但大多数人并不那么喜欢日心宇宙的概念。首先，哥白尼的思想没有得到广泛传播，因为它与罗马天主教会的教义相悖（尽管在《天体运行论》被教会列为禁书之前，还需要 73 年的时间）。只有在大学及其周围地区，他们才找到了追随者。其次，即使对于那些听说过它的人来说，从某些方面来说，哥白尼的日心天文学也几乎不比托勒密天文学更准确。
伟大的火星灾难
正如金格里奇解释的那样，托勒密系统预测火星的位置大约每 32 年就会在经度上出现大约 5 度的误差。哥白尼的系统也好不到哪里去：它在经度上相差约 4 度。金格里奇称之为“伟大的火星灾难”——丹麦天文学家第谷·布拉赫等观测者知道这个问题，但开普勒会解决这个问题。
在蒂宾根大学毕业后，开普勒在格拉茨（今奥地利）担任数学教师，在那里他继续对天文学感兴趣。正是在格拉茨，他写了1596 年出版的《宇宙神秘》（Mysterium Cosmographicum），以支持哥白尼。他将自己的书的副本寄给包括当时最伟大的观测天文学家布拉赫在内的主要天文学家。布拉赫和开普勒开始了通信，在信中讨论了哥白尼主义和其他天文学问题。到那时，开普勒已经意识到需要原始数据——可以帮助他理解自然基本规律的观测结果。
1600 年，由于新教改革期间的宗教和政治动荡，开普勒失去了在格拉茨的工作。他前往布拉格，在那里布拉赫是鲁道夫二世皇帝的宫廷天文学家。布拉格是开普勒度过他最有成效的岁月的地方。布拉赫于 1601 年突然去世，开普勒接替他担任宫廷天文学家。除了他的王室职责外，开普勒还试图解决火星的运动问题。他发现他最初的模型假设火星以圆形轨道绕太阳运行，与他前任的观测结果不符。他不情愿地改变了轨道，使其更像蛋形。
金格里奇说：“有一个传说是，开普勒通过拟合第谷·布拉赫的火星记录曲线，发现行星轨道是椭圆形的。事实是，第谷的观测表明轨道不是圆形，但椭圆的选择在很大程度上是理论性的。”
那是改变科学进程的智力飞跃之一。开普勒发现，不仅太阳位于一个焦点处的椭圆轨道可以解释火星的运动，而且也可以解释其他行星的运动。事实上，正如金格里奇指出的那样，开普勒意识到了他发现的重大意义。在《新天文学》中，当开普勒解释火星的运动并提出他的前两条行星定律时，字体突然变得更大以说明其重要性。（第三条会在稍后出现。）
但行星运动的根本物理原因让开普勒感到困惑，他认为这是一种磁力造成的。这个谜题必须等待另一位革命性的思想家艾萨克·牛顿，他的万有引力定律出现在科学舞台上，并在八十年后解释了轨道行为。