Йоганн Ке́плер (; 27 грудня 1571, Вайль-дер-Штадт — 15 листопада 1630, Регенсбург) — німецький астроном, математик, оптик, астролог та натурфілософ, відомий насамперед відкриттям законів руху планет, названих на його честь законами Кеплера.
Він є ключовою фігурою наукової революції XVII століття та одним із засновників сучасної астрономії й наукового методу. Його астрономічні книги Astronomia nova, Harmonice Mundi та Epitome Astronomiae Copernicanae вплинули, зокрема, на Ісаака Ньютона, ставши однією з основ для теорії всесвітнього тяжіння. Кеплер виконав фундаментальну роботу в галузі оптики, винайшов тип телескопа-рефрактора, званий тепер телескопом Кеплера, а також покращив конструкцію телескопа Галілея. Він також відомий постулюванням гіпотези Кеплера про найщільніше пакування куль у тривимірному просторі. За його роман «Сомніум» Кеплера називають «батьком наукової фантастики».
Кеплер був викладачем математики в семінарії у місті Грац. Пізніше він став помічником астронома Тихо Браге в Празі, а згодом імперським математиком імператора Рудольфа II і двох його наступників Маттіаса і Фердинанда II. Він також викладав математику в Лінці та був радником генерала Валленштейна.
Біографія
Дитинство
Кеплер народився 27 грудня 1571 року у вільному імперському місті Вайль-дер-Штадт недалеко від Штутгарта в теперішній федеральній землі Баден-Вюртемберг, Німеччина. Його дід, Себальд Кеплер, був лордом-мером міста, але на момент народження Йоганна статок родини Кеплерів вже був у занепаді. Батько Йоганна, Генріх Кеплер, заробляв на життя найманцем, і покинув сім'ю, коли Йоганну було п'ять років. Вважають, що він загинув під час Вісімдесятирічної війни в Нідерландах. Мати Йоганна, Катаріна Гульденманн, донька трактирника, була цілителькою та травницею. У Йоганна було шестеро братів і сестер, з яких двоє братів і одна сестра дожили до повноліття. Йоганн народився передчасно й, за власними спогадами, в дитинстві був слабким і хворобливим. В дитинстві Йоганн часто вражав мандрівників у корчмі свого діда своїми феноменальними математичними здібностямиCaspar. Kepler, pp. 29–36; Connor. Kepler's Witch, pp. 23–46..
Він познайомився з астрономією в ранньому віці й захопився нею на все життя. У шість років він спостерігав Велику комету 1577 року, — за спогадами Кеплера, мати взяла його на високе місце, щоб подивитися на кометуKoestler. The Sleepwalkers, p. 234 (translated from Kepler's family horoscope).. 1580 року, у віці дев'яти років, він спостерігав іншу астрономічну подію, місячне затемнення, записавши, що його покликали на вулицю, щоб побачити це явище, і що Місяць «здавався досить червоним». Через віспу в дитинстві Кеплера мав слабкий зір і покалічені руки, що обмежувало його можливість робити астрономічні спостереженняCaspar. Kepler, pp. 36–38; Connor. Kepler's Witch, pp. 25–27..
У 1589 році, після навчання в гімназії, латинській школі та семінарії в Маульбронні, Кеплер відвідував богословський факультет Тюбінгенського університету. Там він навчався філософії у Вітуса МюллераConnor, James A. Kepler's Witch (2004), p. 58. і богослов'ю у Якоба ГеербрандаBarker, Peter; Goldstein, Bernard R. «Theological Foundations of Kepler's Astronomy», Osiris, 2nd Series, Vol. 16, Science in Theistic Contexts: Cognitive Dimensions (2001), p. 96.. Він показав себе чудовим математиком і заслужив репутацію вмілого астролога, який складав гороскопи для однокурсників. Під керівництвом тюбінгенського професора математики Міхаеля Местліна Кеплер вивчив і систему Птолемея, і системи Коперника руху планет. У той час він став коперніканцем. У диспутах з іншими студентами він захищав геліоцентризм як з теоретичної, так і з теологічної точки зору, стверджуючи, що Сонце було головним джерелом рушійної сили у ВсесвітіWestman, Robert S. «Kepler's Early Physico-Astrological Problematic,» Journal for the History of Astronomy, 32 (2001): 227—236.. Попри його бажання стати священиком лютеранської церкви, Кеплеру відмовили у висвяченні через його переконання, що суперечили Формулі Згоди. Ближче до кінця навчання Кеплера рекомендували на посаду викладача математики й астрономії в протестантській школі в Граці. Він прийняв цю посаду в квітні 1594 року, коли йому було 22 рокиCaspar. Kepler, pp. 38–52; Connor. Kepler's Witch, pp. 49–69..
Грац Перед завершенням навчання в Тюбінгені Кеплер прийняв пропозицію викладача математики в протестантській школі в Граці (нині Штирія, Австрія)Caspar, Kepler. pp. 50–51.. У цей період (1594—1600) він видав багато календарів і прогнозів, які зміцнили його репутацію астролога. Хоча Кеплер мав змішані почуття до астрології та зневажливо ставився до багатьох звичайних астрологічних практик, він глибоко вірив у зв'язок між космосом і людиною. Трохи більше ніж за рік після прибуття до Граца він опублікував деякі з ідей, що виникли в нього під час навчання, у праці «Таємниця світу» (, 1596)Caspar, Kepler. pp. 58–65..
У ній Кеплер спробував знайти таємну гармонію Всесвіту, для чого зіставив орбітам п'яти відомих тоді планет (сферу Землі він виділяв особливо) різні «платонові тіла» (правильні багатогранники). Орбіту Сатурна він представив як коло (ще не еліпс) на поверхні кулі, описаної навколо куба. У куб, своєю чергою, була вписана куля, яка мала представляти орбіту Юпітера. У цю кулю був вписаний тетраедр, описаний навколо кулі, що представляла орбіту Марса і так далі. Ця робота після подальших відкриттів Кеплера втратила своє первинне значення (хоч би тому, що орбіти планет виявилися не колами); проте в наявність прихованої математичної гармонії Всесвіту Кеплер вірив до кінця життя, і в 1621 році перевидав «Таємницю світу», внісши в неї численні зміни і доповненняField, J. V. Kepler's geometrical cosmology. Chicago: Chicago University Press, 1988, ISBN 0-226-24823-2, Chapter IV..
У грудні 1595 року Кеплера познайомили з 23-річною Барбарою Мюллер, двічі вдовою з маленькою дочкою Регіною Лоренц, і він почав залицятися до неї. Мюллер була спадкоємицею маєтків своїх покійних чоловіків і дочкою успішного власника млина. Її батько Йобст спочатку був проти шлюбу дочки з Кеплером. Хоч Кеплер і успадкував дворянство свого діда, бідність робила його невигідним партнером. Йобст поступився після того, як Кеплер завершив роботу над Mysterium Cosmographicum. Заручини ледь не розпалися, поки Кеплер був у від'їзді, займаючись публікацією роботи, однак протестантські чиновники, які допомогли домовитись про шлюб, тиснули на Мюллерів, щоб вони дотрималися угоди. Барбара та Йоганн одружилися 27 квітня 1597 рокуCaspar, Kepler. pp. 71–75.. У перші роки шлюбу у Кеплерів народилося двоє дітей, Генріх і Сусанна, які обидва померли в дитинстві. 1602 року у них народилася дочка Сусанна, у 1604 — син Фрідріх, а в 1607 році ще один син ЛюдвігConnor. Kepler's Witch, pp. 89–100, 114—116; Caspar. Kepler, pp. 75–77.
Після публікації «Таємниці світу» Кеплер амбітно запланував чотири наступні книги: про стаціонарні аспекти Всесвіту (Сонце та нерухомі зорі), про планети та їхній рух, про фізичну природу планет і формування географічних об'єктів на Землі та про вплив небесних подій на Землю (включно з атмосферною оптикою, метеорологією та астрологією)Caspar. Kepler, pp. 85–86..
Прага
У 1600 році Кеплер прибув до Праги. Проведені там 10 років — найплідніший період його життя.
Незабаром з'ясувалося, що погляди Коперника й Кеплера на астрономію Тихо Браге поділяв лише частково. Щоб не конфліктувати з церквою, Браге запропонував компромісну модель: усі планети, окрім Землі, обертаються навколо Сонця, а Сонце обертається навколо нерухомої Землі. Ця теорія здобула деяку популярність і протягом кількох десятиліть служила своєрідним прикриттям для тих астрономів, хто не наважувався відкрито визнати правоту Коперника.
Після смерті Браге в 1601 році Кеплер став його наступником на посаді. Скарбниця імператора через нескінченні війни була постійно порожня. Платню Кеплеру платили рідко й бідно. Він вимушений був підробляти складанням гороскопів. Кеплеру довелося також вести багаторічну тяжбу зі спадкоємцями Тихо Браге, які намагалися відібрати у нього, серед іншого майна покійного, також і результати астрономічних спостережень. Врешті-решт від них вдалося відкупитисяCaspar, Max. Kepler. New York: Dover, 1993. ISBN 0-486-67605-6, pp 111—122..
У 1604 році Кеплер опублікував свої спостереження наднової, названої тепер його ім'ям.
Будучи чудовим спостерігачем, Тихо Браге за багато років склав об'ємну працю із спостережень планет і сотень зір, причому точність його вимірювань була істотно вища, ніж у всіх попередників. Для підвищення точності Браге застосовував як технічні удосконалення, так і спеціальну методику нейтралізації похибок спостереження. Особливо цінною була систематичність вимірювань.
Впродовж кількох років Кеплер уважно вивчав дані Браге і в результаті ретельного аналізу дійшов до висновку, що траєкторія руху Марса є не колом, а еліпсом, в одному з фокусів якого розташоване Сонце — твердження, відоме сьогодні як перший закон Кеплера. Подальший аналіз привів до другого закону: радіус-вектор, що сполучає планету й Сонце, за однакові проміжки часу описує однакові площі. Це означало, що чим далі планета від Сонця, тим повільніше вона рухається.
Обидва закони Кеплер сформулював 1609 року в книзі «Нова астрономія», причому, заради обережності, він відносив їх тільки до Марса.
Нова модель руху викликала величезний інтерес серед науковців-коперниканців, хоча не всі вони її прийняли. Галілей кеплерові еліпси рішуче відкинувCaspar, Max. Kepler. New York: Dover, 1993. ISBN 0-486-67605-6, pp 192—197..
У 1610 році Галілей повідомив Кеплера про відкриття супутників Юпітера. Кеплер зустрів це повідомлення недовірливо і в полемічній роботі «Розмова із Зоряним вісником» привів певною мірою гумористичне заперечення: «незрозуміло, до чого бути [супутникам], якщо на цій планеті немає нікого, хто б міг милуватися цим видовищем»Д. Антисери и Дж. Реале. Западная философия от истоков до наших дней. От Возрождения до Канта. СПб, Пневма, 2002, стр. 195. Але пізніше, отримавши свій екземпляр телескопа, Кеплер змінив свою думку, підтвердив спостереження супутників і сам зайнявся теорією лінз. Результатом стали вдосконалений телескоп і фундаментальна робота «Діоптрика».
До нового 1611 року Кеплер опублікував трактат «Про шестикутні сніжинки» у якому висловив припущення про те, що не існує щільнішої упаковки однакових сфер, ніж гранецентрована кубічна та гексагональна, яке отримало назву гіпотези Кеплера. Доведення гіпотези Кеплера для регулярних ґраток дав у 1831 році Карл Фрідріх Гаусс. Для нерегулярних структур задача виявилася складнішою, й стала 18-ю проблемою Гільберта, розв'язання якої за допомогою комп'ютерних обчислень було отримано 1998 року.
У Празі у Кеплера народилися два сини і дочка.
У 1611 році старший син Фрідріх помер від натуральної віспи. Тоді психічнохворий імператор Рудольф II, програвши війну проти власного брата Матвія, зрікся на його користь від чеської корони і незабаром помер. Кеплер почав збори для переїзду до Лінца, але тут після тривалої хвороби померла його дружина Барбара.
Лінц. Останні роки
У 1612 році, зібравши мізерні кошти, Кеплер переїхав до Лінца, де прожив 14 років. За ним збережена посада придворного математика і астронома, але в справі оплати новий імператор був нічим не кращий за старого. Деякий дохід приносило викладання математики і створювання гороскопів.
У 1613 році Кеплер одружився з 24-річною донькою столяра Сюзаною. У них народилося семеро дітей, вижили четверо.