J
ohannes Kepler sinh ngày 27 tháng 12 năm 1571 tại Thành phố tự do của Đế quốc Weil der Stadt (nay là một phần của vùng Stuttgart thuộc Đức, cách trung tâm Stuttgart 30 km về phía Tây). Ông nội Kepler từng là thị trưởng thị trấn, nhưng lúc Kepler ra đời, tài sản của gia đình đã gần cạn kiệt. Cha ông sống bấp bênh với nghề lính đánh thuê, đã bỏ gia đình khi Johannes mới năm tuổi. Có tư liệu viết cha Kepler đã chết trong chiến tranh Hà Lan. Mẹ Kepler là con gái một chủ quán trọ, một người biết chữa bệnh bằng các loại cỏ cây. Thuở nhỏ Kepler là một đứa trẻ ốm yếu. Dù sức khỏe kém nhưng Kepler rất thông minh. Ông thường làm những khách hàng tới quán trọ của gia đình ông ngoại ngạc nhiên vì khả năng toán học kỳ lạ của mình.
Kepler làm quen với thiên văn học từ rất sớm và gắn bó với nó suốt cuộc đời. Một tài liệu viết, năm 1577, khi mới 5 tuổi, ông đã quan sát sao chổi. Ông viết rằng ông “được mẹ đưa lên một chỗ cao để nhìn nó”. Năm 1580, ông quan sát một hiện tượng thiên văn khác - nguyệt thực. Ông nhớ là đã “được gọi ra ngoài” để nhìn nó và rằng mặt trăng “có vẻ khá đỏ”. Tuy nhiên, bệnh đậu mùa thời trẻ đã làm giảm thị lực của ông, khiến ông phải chú tâm tới toán học nhiều hơn là quan sát thiên văn học.
Khi đi học ông học rất xuất sắc song thường bị các bạn bắt nạt. Ngay từ thuở nhỏ, ông bị ám ảnh rằng mình có thân thể ghê tởm, hoàn toàn đáng ghét, so với những học sinh khác và đáng bị hắt hủi.
Năm 1587, sau khi học văn phạm, tiếng La tinh ở trường dòng theo hệ giáo dục Lutheran, Kepler bắt đầu theo học tại trường đại học Tübingen với tư cách là sinh viên thần học, nơi ông đã chứng tỏ khả năng siêu việt về toán học và nổi tiếng là một nhà chiêm tinh tài giỏi. Dưới sự dạy dỗ của Michael Maestlin, ông học cả hệ thống Ptolemy và hệ Nhật tâm của Copernicus. Ông trở thành một người ủng hộ Copernicus từ lúc đó, bảo vệ thuyết nhật tâm về cả lý thuyết và cả mặt thần học trong những cuộc tranh luận của sinh viên. Sau đó, Kepler được tiến cử vào vị trí giáo viên toán và thiên văn học tại trường Tin lành ở Graz, Áo. Ông đảm nhận vị trí đó vào tháng 4 năm 1594, ở tuổi 23.
Tại Graz, Kepler bắt đầu phát triển lý thuyết đầu tiên về vũ trụ học dựa trên hệ Copernicus, lý thuyết này được công bố năm 1596 với tên “Bí ẩn thần thánh của vũ trụ”.
Tháng 12 năm 1599, Tycho Brahe viết thư cho Kepler, mời Kepler tới giúp ông ở Benátky nad Jizerou bên ngoài Prague. Bị áp lực phải rời Graz vì những chính sách phản đối cải đạo ngày càng chặt chẽ, ngăn cản quyền thực thi tín ngưỡng và chính trị của những người Tin lành, Kepler đến với Tycho năm 1600. Sau khi Tycho chết năm 1601, Kepler được chỉ định làm nhà toán học hoàng gia, một vị trí được ông đảm nhận qua ba triều Hoàng đế ở Habsburg (từ 1601 đến 1630). Với tư cách là nhà toán học của triều đình, Kepler được thừa hưởng trách nhiệm của Tycho về việc lập các lá số tử vi cũng như nhiệm vụ thành lập các bảng Rudolphine. Làm việc với những dữ liệu thông tin quan sát bao quát và chính xác của Tycho, Kepler cũng bắt đầu chỉnh lại các lý thuyết trước đây của mình nhưng sau đó ông bắt buộc phải từ bỏ chúng. Thay vào đó, ông bắt đầu phát triển hệ thống thiên văn học đầu tiên sử dụng các quỹ đạo không tròn; được hoàn tất năm 1606 và xuất bản năm 1609 dưới tên “Astronomia Nova” - (Thiên văn học mới). Astronomia Nova bao hàm những điều sau này sẽ trở thành những định luật về chuyển động thiên thể thứ nhất và thứ hai.
Tháng 10 năm 1604, Kepler quan sát supernova sau này được gọi là “Ngôi sau của Kepler” (một thuật ngữ cũng dùng để chỉ hình sao bát giác). Năm 1611, Kepler xuất bản (dưới hình thức một bức thư gửi cho bạn) một chuyên khảo về nguồn gốc của bông tuyết, tác phẩm đầu tiên từng được biết về chủ đề này. Ông phát triển lý thuyết chính xác rằng hình sáu cạnh tự nhiên của nó có nguyên nhân từ cái lạnh, nhưng không xác định chắc chắn nguyên nhân vật lý của điều đó. Tháng 1 năm 1612, Hoàng đế qua đời. Để tránh tình trạng căng thẳng tôn giáo đang gia tăng ở Prague, Kepler trở về làm việc ở Linz.
Năm 1617, mẹ của Kepler là Katharina bị cáo buộc là phù thủy. Bắt đầu từ tháng 8 năm 1620 bà bị bỏ ngục trong mười bốn tháng. Nhờ những nỗ lực bảo vệ pháp lý của Kepler, và được thả ra vào tháng 10 năm 1621 sau khi những nỗ lực kết án bà thất bại.
Năm 1621, Kepler đã hoàn thành bảy tập cuối cùng của cuốn sách giáo khoa “Bản tóm tắt thiên văn học Copernicus” năm 1621, phát triển thêm những nghiên cứu trước kia của ông và đóng góp phần ảnh hưởng quan trọng trong việc chấp nhận hệ thống Copernicus vào thế kỷ sau đó. Năm 1627 ông hoàn thành các bảng Rudolphine, cung cấp bảng tính chính xác các vị trí hành tinh trong tương lai và cho phép dự đoán các hiện tượng thiên văn học hiếm gặp.
Kepler sống trong một thời đại khi mà không có sự phân biệt rõ ràng giữa thiên văn học và chiêm tinh học, trong khi lại có sự phân biệt rõ ràng giữa thiên văn học (một nhánh của toán học bên trong các nghệ thuật tự do) và vật lý (một nhánh của môn học có nhiều ảnh hưởng hơn của triết học). Ông cũng kết hợp những tranh luận tôn giáo và các lý lẽ vào trong tác phẩm của mình, nhờ vậy nền tảng của những cống hiến có tầm quan trọng nhất của ông đặc biệt mang tính thần học. Kepler là một người theo trường phái bí ẩn của Pytago. Ông coi các mối quan hệ toán học là cơ sở của mọi tự nhiên, mọi thành tố đều tích hợp với nhau trong một tổng thể. Đây là điều đối lập với quan niệm của Plato và Aristoteles cho rằng trái đất khác biệt về căn bản với mọi thứ còn lại của vũ trụ, được tạo thành từ những vật chất khác biệt và những định luật tự nhiên áp dụng cho nó cũng khác biệt. Trong nỗ lực khám phá vũ trụ của mình, Kepler đã áp dụng vật lý trái đất cho các thiên thể; nổi tiếng nhất là nỗ lực của ông nhằm đưa ra ba “Định luật về chuyển động thiên thể”. Kepler cũng tin rằng các thiên thể ảnh hưởng tới các sự kiện trên mặt đất. Ông đã ước tính thêm về vai trò của mặt trăng trong việc tạo ra thủy triều.
Kepler được thừa kế từ Tycho Brahe một gia sản những dữ liệu thô chính xác nhất Tycho thu thập được về vị trí của các hành tinh. Các chuyển động quỹ đạo của các hành tinh khác được quan sát từ điểm lợi thế của trái đất, chính nó cũng đang quay quanh mặt trời, điều này có thể gây nên việc di chuyển của các hành tinh theo những đường kỳ lạ. Kepler tập trung vào việc tìm hiểu quỹ đạo của sao Hỏa, cố xác định quỹ đạo của trái đất. Để làm được điều này, ông đã vạch ra một vạch ranh giới quan sát. Với một linh cảm thiên tài, ông đã sử dụng sao Hỏa và Mặt trời làm đường ranh giới, vì không biết quỹ đạo thực của sao Hỏa, ông biết rằng nó sẽ ở cùng một chỗ trong quỹ đạo của nó ở những khoảng cách riêng biệt theo những giai đoạn riêng. Các vị trí quỹ đạo của Trái đất có thể được tính toán, và từ đó suy ra quỹ đạo sao Hỏa. Ông đã có thể suy luận ra các định luật thiên thể của mình mà không cần biết khoảng cách chính xác của các hành tinh từ Mặt trời, bởi vì phân tích hình học của ông chỉ cần có các tỷ lệ khoảng cách tới mặt trời của chúng.
Không như Brahe, Kepler giả thiết hệ thống nhật tâm với mặt trời ở trung tâm. Từ cái khung đó, Kepler đã mất hai mươi năm làm việc chăm chỉ để thử và sửa chữa các nỗ lực nhằm tạo ra dữ liệu đúng. Cuối cùng, ông đã kết luận bằng “Ba định luật về chuyển động thiên thể”:
- Định luật quỹ đạo elíp của các hành tinh: Các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo các quỹ đạo hình elíp với mặt trời nằm ở một tiêu điểm.
- Định luật đồng đều về vận tốc diện tích: Đường nối một hành tinh với mặt trời quét qua những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.
- Định luật về các chu kỳ chuyển động: Bình phương chu kỳ chuyển động của một hành tinh thì tỷ lệ với lập phương bán trục lớn của quỹ đạo elip của hành tinh đó.
Sử dụng các định luật này, ông là nhà thiên văn học đầu tiên thành công trong việc dự đoán vận động của sao Kim (trong năm 1631). Các định luật của Kepler là minh chứng đầu tiên rõ ràng cho kiểu nhật tâm của hệ mặt trời, bởi vì chúng trở nên rất đơn giản khi đưa mặt trời vào tâm. Tuy nhiên, Kepler không bao giờ khám phá ra những lý lẽ sâu sắc hơn của định luật, dù nhiều năm trong cuộc đời ông đã dành cho việc nghiên cứu những bí ẩn ấy.
Lần đầu tiên Kepler khám phá ra định luật thứ ba của ông về chuyển động thiên thể vào ngày 8 tháng 3 năm 1618 nhưng ông đã từ bỏ ý tưởng này cho tới 15 tháng 5 năm 1618 sau khi ông kiểm tra lại kết quả của mình. Kết quả này đã được công bố trong cuốn “Harmonices Mundi” (1619) của ông.
Ngày 17 tháng 10 năm 1604, Kepler quan sát thấy một ngôi sao đặc biệt sáng bất chợt xuất hiện trong chòm sao Ophiuchus. Sự xuất hiện của ngôi sao, mà Kepler miêu tả trong cuốn sách “De Stella nova in pede Serpentarii” (Về Ngôi sao mới ở chân Ophiuchus), đã cung cấp bằng chứng rằng vũ trụ không phải là bất biến. Từ đó nó được xác định là một siêu tân tinh. Đây là lần thứ hai một sao như vậy đã được quan sát. Sau này nó được gọi là sao Kepler hay siêu tân tinh 1604. Không có siêu tân tinh nào khác được quan sát thấy trong dải Ngân Hà, mặc dù có nhiều siêu tân tinh khác ngoài Ngân Hà đã được phát hiện.
Kepler cũng thực hiện những nghiên cứu có tính nền tảng về tổ hợp, về hình học. Ông được xem là một trong những nhà nghiên cứu quang học hiện đại bởi ông là người đầu tiên xác nhận về khối mười hai mặt hình sao, sau được gọi là những hình ba chiều Kepler để vinh danh ông. Kepler đã khám phá ra định luật chuyển động của các thiên thể nhằm tìm ra sự hòa điệu của chúng. Trong khái niệm vũ trụ của ông, không phải tự nhiên mà số lượng các khối đa diện hoàn hảo lại ít hơn số lượng các hành tinh đã được biết. Vì nắm được hệ thống của Copernicus, ông bắt đầu chứng minh rằng khoảng cách từ các hành tinh tới mặt trời được tạo ra bởi các mặt cầu bên trong các khối đa diện hoàn hảo, tất cả chúng bị đặt vào bên trong của nhau. Quỹ đạo nhỏ nhất, là của sao Thủy, là mặt cầu ở trong cùng. Bằng cách ấy ông xác định năm khoảng không Platonic với năm khoảng cách giữa sáu hành tinh đã được phát hiện (sao Thủy, sao Kim, Trái đất, sao Hỏa, sao Mộc, sao Hải vương) và năm nguyên tố cổ điển.
Trong cuốn sách viết năm 1619 của ông, “Harmonice Mundi” hay “Sự hòa điệu của các thế giới”, ông đã kết hợp giữa các khoảng không Platonic với nhận thức từ trước về các yếu tố: khối tứ diện là hình thức của lửa, khối tám mặt là hình thức của không khí, lập phương là trái đất, khối hai mươi mặt là nước, và khối mười hai mặt là vũ trụ. Nhưng thành tựu đáng chú ý nhất của ông được thừa nhận là các hành tinh chuyển động theo quỹ đạo hình elíp, chứ không phải hình tròn. Kepler cũng có tiến bộ vĩ đại trong việc thử miêu tả chuyển động của các hành tinh bằng việc đưa vào một lực giống với lực từ tính, mà ông tin rằng tỏa ra từ mặt trời. Mặc dù ông không khám phá ra lực hấp dẫn, ông dường như đã cố gắng áp dụng kinh nghiệm về một định luật vũ trụ để giải thích cách chuyển động của cả trái đất và các vật thể trên trời.
Kepler nổi tiếng vì đã tìm ra ba quy luật về quỹ đạo của các hành tinh. Nhưng điều mà các nhà toán học nhớ đến ông lại rất quan trọng vì ông đã nghiên cứu về hình nón từ một điểm ở vô tận. Ông cũng để lại cho đời sau những kết quả nghiên cứu về đa diện hình sao đều. Ông khám phá ra được 2 hình này, tính được diện tích và thể tích: ông có sáng kiến chia ra những phần vô cùng nhỏ mà diện tích tính được, rồi lấy tổng của những diện tích vô cùng nhỏ ấy. Tuy phương pháp ông tính chưa thật hệ thống lắm nhưng đó chính là những ý tưởng báo hiệu cho “Lý thuyết cái vô cùng nhỏ, không thể chia nhỏ hơn” của Cavalieri. Chính nhờ phương pháp này mà ông suy ra định luật về diện tích của các quỹ đạo của các hành tinh (trong chứng minh của ông có hai cái sai, nhưng may mắn thay chúng triệt tiêu lẫn nhau!).
Người ta kể lại, để giúp cho những người bán rượu vang tính được thể tích các thùng chứa rượu, ông cho xuất bản quyển “Hình học mới về các thùng chứa rượu vang” trong đó ông thử tính 93 thể tích thùng chứa rượu (đều là những hình tròn xoay).
Ông được đánh giá là một gương mặt quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học, là nhà toán học, nhà chiêm tinh học, nhà thiên văn học, và là một nhà văn viết chuyện khoa học viễn tưởng thời kỳ đầu ở Đức. Định luật nổi tiếng nhất của ông là định luật về chuyển động thiên thể, dựa trên những công trình “Astronomia nova”, “Harmonice Mundi” và cuốn sách giáo khoa “Tóm tắt thiên văn học Copernicus”.
Ngày 15 tháng 11 năm 1630, Kepler qua đời vì bệnh sốt ở Regensburg. Năm 1632, chỉ hai năm sau khi ông chết, mộ của ông bị quân đội Thụy Điển phá hủy trong “Cuộc chiến mười ba năm”.