С детства Иоганн часто болел. Он появился на свет за два месяца до положенного срока, а плохие условия жизни и отсутствие должного ухода привели к целому ряду заболеваний. Сыпи, нарывы и язвы, больная печень, желудок, постоянные головные боли, лихорадка, врожденная близорукость и монокулярная полиопия [17], в конце концов, к этому букету болезней добавилась и оспа, перенесенная в четырехлетием возрасте.
Интерес Иоганна к астрономии, возможно, стал следствием двух ярких впечатлений детства. Когда мальчику было шесть лет, в небе появилась комета, а через три года он наблюдал затмение Луны. В 1578 году Иоганн поступил в начальную школу. Здесь ему повезло, один из учителей обратил внимание на способности мальчика, и его перевели в латинскую школу, которая готовила духовных лиц и чиновников. Но семья испытывала серьезные финансовые трудности. Иоганн был вынужден прервать обучение и помогать матери обслуживать посетителей трактира, работать в огороде. Поэтому вместо положенных трех лет курс обучения в школе Кеплер закончил только через пять, в 1583 году.
Учитывая слабое здоровье сына и советы его учителей, родственники приняли решение отправить Иоганна в Адельсберг, где он поступил в низшую семинарию. Окончив семинарию Адельсберга, Кеплер продолжил учиться на священника в высшей семинарии в Маульбронне. Между тем денег в семье по-прежнему было мало. Того, что присылали Иоганну из дома, на жизнь катострофически не хватало. Кеплер обратился к властям родного Вейля с просьбой о назначении стипендии. Прилежная учеба и способности Иоганна помогли получить ходатайство сената университета, в котором, в частности, были такие слова: «Так как указанный Кеплер обладает настолько замечательными дарованиями, что с его стороны можно ожидать особенных достижений, мы со своей стороны охотно поддерживаем его просьбу».
В 1589 году, окончив семинарию, Кеплер поступил в Тюбингенский университет на факультет искусств. Сдав через два года магистерский экзамен, юноша перешел на факультет теологии. Еще начиная со времени обучения в латинской школе, Кеплер не только преуспевал в учебе, но много читал, сочинял стихи, которые начал публиковать как раз в Тюбингене. Здесь же Иоганн участвовал в театрализованных представлениях.
Что же увело Иоганна Кеплера с, казалось бы, проторенной дороги, ведущей к блестящей духовной карьере? Как это часто бывает, не обошлось без талантливого учителя. На способного студента обратил внимание Местлин, преподаватель математики и астрономии. Кеплер демонстрировал интерес и способности к этим предметам, и потому Местлин занимался с Иоганном дополнительно. В частности, несмотря на то что в университете он преподавал астрономию, основываясь на Птолемеевой системе мира, он познакомил Кеплера с идеями Коперника. Местлин смог расширить и направить научные интересы своего ученика, который отплатил своему учителю уважением и любовью.
Вторым фактором, «помешавшим» становлению Кеплера-священника, стало одно неожиданное обстоятельство. В протестантской школе австрийского города Граца умер преподаватель математики. Община Граца обратилась к Тюбингенскому университету с тем, чтобы его сенат подобрал нового преподавателя. Сенат порекомендовал Кеплера, а по бытовавшим тогда порядкам Иоганн, как студент, обучающийся за государственный счет, отказаться не мог. Весной 1594 года он отправился в Грац.
Кроме обязанностей преподавателя, Кеплер должен был составлять астрономические календари на год и делать основанные на астрологии прогнозы относительно грядущих событий. Известно, что в дальнейшем к астрологии Кеплер относился весьма скептически, но полностью пренебрегать этой «наукой» не мог. Прогнозы же его были весьма точны. Трудно сказать, насколько большую роль в этом сыграли астрология, везение или просто способность делать далеко идущие логические выводы, но очень быстро за Иоганном закрепилась слава выдающегося астролога. Впоследствии он так высказывался о взаимоотношениях астрономии и астрологии: «Лучше издавать альманах с предсказаниями, чем просить милостыню. Астрология – дочь астрономии, хоть и незаконная, и разве не естественно, чтобы дочь кормила свою мать, которая иначе могла бы умереть с голоду».
В 1596 году Кеплер издал свой первый крупный научный труд «Тайна Вселенной», в котором описал собственную гелиоцентрическую модель мира. Экземпляры книги он послал Галилео Галилею и Тихо Браге. Первый был просто рад, что появился еще один явно способный сторонник гелиоцентризма. Второй, как мы помним, был сторонником несколько иных идей. Но самостоятельность мышления и точность расчетов Кеплера произвели на Браге впечатление, и он пригласил молодого коллегу к себе, желая лично с ним познакомиться.
В 1597 году Кеплер женился на дочери мельника Барбаре Мюллер. Брак сильно омрачила смерть в возрасте двух месяцев сына, родившегося в 1598 году. Через год такая же участь постигла и дочь Кеплера. Беда, как известно, не приходит одна. К семейному горю вскоре прибавились и другие проблемы. В Граце усилилось преследование протестантов, к которым относился и Кеплер. Осенью 1598 года всем протестантским священникам и учителям протестантских школ под страхом смертной казни было предписано покинуть город. Однако через месяц для Кеплера, уже бежавшего из Граца, было сделано исключение. Ученый смог ненадолго вернуться на обжитое место, но вскоре антипротестантские волнения в городе вынудили его окончательно покинуть Грац. 1 января 1600 года Иоганн Кеплер отправился в Прагу. Он намеревался предложить свои услуги и помощь знаменитому Тихо Браге, который к тому времени уже уехал из Дании и стал придворным математиком и астрономом Рудольфа II. Браге доброжелательно принял молодого ученого. Кеплер съездил в Грац за семьей и с осени 1600 года начал работать вместе со знаменитым датчанином. Совместная работа продолжалась около года. 24 октября 1601 года Тихо Браге умер. Перед смертью он передал журналы своих точнейших на тот момент астрономических наблюдений Кеплеру, который сменил своего покровителя на должности придворного математика.
Уже зимой 1601 года Кеплер заложил основы своего величайшего достижения – теории движения планет. На основании записей Тихо Браге Кеплер вывел закон движения планет, так называемый «закон площадей». Сейчас он известен как второй закон Кеплера. Согласно ему радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равновеликие площади.
В 1605 году Кеплер сформулировал закон, впоследствии получивший первый порядковый номер среди его «именных» законов. Согласно ему, планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. В 1609 году в Гейдельберге Кеплер опубликовал свою книгу «Новая астрономия», в которой изложил оба закона. Забегая вперед, следует сказать, что третий закон Кеплер сформулировал только в 1618 году. Он звучал следующим образом: «Квадраты периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит». Современная формулировка этого закона универсальна, она описывает закономерности движения любых двух тел относительно друг друга, учитывая при этом массы тел.
В Праге Кеплер жил около десяти лет, и этот период смело можно назвать самым плодотворным в его жизни. Но, несмотря на научные достижения и высокую должность, ученого преследовали финансовые трудности. Назначенное ему жалованье выплачивалось очень неаккуратно. Много времени Кеплер проводил в казначействе, где был вынужден буквально выпрашивать собственные деньги. Зачастую работать удавалось только по ночам.
Помимо астрономии, Иоганн Кеплер много внимания уделял оптике. В 1604 году он написал большой трактат «Дополнения к Вителло [18], в которых излагается оптическая часть астрономии». В этой работе Кеплер касается геометрической оптики. Именно он ввел в оптику такие понятия, как «оптическая ось», «мениск», «сходимость и расходимость световых пучков». Также в трактате рассматриваются механизмы человеческого зрения. Кеплер фактически создал теорию физиологии зрения, мало в чем отличную от современной, исследовал близорукость, дальнозоркость и коррекцию этих заболеваний с помощью линз. В «Дополнениях к Вителло» ученый также рассмотрел такие явления, как рефракция, солнечная корона, вывел закон убывания освещенности поверхности, согласно которому освещенность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света.