下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
最当得起“第一位科学家”这个名头的人是伽利略，他不但将本质上是现代科学方法的路数应用到他的工作中，而且充分理解他的所作所为，并为紧随其后的其他人定下了基本的规则。此外，他依据这些基本规则所做的工作极其重要。在16世纪晚期，还有其他一些人满足这些标准——但是将他们一生投入我们称之为科学事业的那些人，其全部或部分工作都继续保持着中世纪的思维模式；而那些最清楚地理解了——还没有更好的词——观察世界的新方法在哲学上的重要性的人，则通常只是业余科学家，而且对其他人的研究方法几乎未产生影响。第一个两者兼有的人物是伽利略。不过，正像所有的科学家一样，伽利略的工作也是建立在前人工作基础之上的，具体到这一事例上，这个直接的联系就是从作为文艺复兴时期天文学转变之开端的哥白尼（他本人利用了像波伊尔巴赫、雷格蒙塔努斯这样的前辈的工作），中间经过第谷与开普勒，再到伽利略（而且正如我们将看到的，从开普勒、伽利略再到牛顿）。正如通常所知，第谷也提供了一个特别简洁的示例，以此种方式，意义深远的重要的科学工作在当时仍然可能与对这些工作的显然是旧式且神秘的阐释混杂在一起。严格来说，第谷与开普勒并不完全是最后的神秘主义者——但至少在天文学上，他们肯定是处于远古神秘主义与伽利略及其后继者们的科学之间过渡时期的人物。
第谷于1546年12月14日出生在位于斯堪的纳维亚半岛南端的克努兹特鲁普。这里目前地处瑞典境内，但在当时是丹麦的一部分。这个小孩受洗时的教名是Tyge（他后来将名字而非姓拉丁化，在这种意义上来说，他恰恰是一个过渡时期的人物）。第谷来自一个贵族家庭——父亲奥托（Otto）曾担任国王枢密院顾问官，先后在几个国家任海军上尉，而他职业生涯的最后一个职位是赫尔辛堡地方长官，此地位于后来因莎士比亚的《哈姆雷特》（ Hamlet ，1600年首演）而闻名的赫尔辛格对岸。作为奥托的第二个孩子，也是最大的儿子，第谷可以说是含着金汤匙出生的，但他的人生几乎立刻便出现了可能极富戏剧性的转折。奥托有一个兄弟约恩（Joergen）是丹麦海军上将，他结了婚但没有小孩。兄弟俩商定，假如且当奥托有一个儿子时，他会将婴儿交给约恩抚养，有如己出。当第谷出生时，约恩提醒奥托有此许诺，但得到的反应却是冷冰冰的。这可能与这一事实不无关联：第谷有一个孪生兄弟出生时便夭折了，而他的父母很担心也许他们不能再生小孩了。约恩耐心等待，一直等到第谷的第一个弟弟出生（只是一年多以后），然后拐走了小第谷，并把他带到了位于日德兰的家中。
由于还有另一个健康的小男孩要抚养（奥托与贝亚特最终生了5个健康的男孩和5个健康的女孩），这件事被这个家庭当作既成事实而接受了，所以第谷其实是由他的叔父养大的。当第谷还是一个孩子时，他接受了全面的拉丁语基础教育，随后在1559年4月，他被送到了哥本哈根大学，而当时他才不过13岁——对于一个贵族之子来说，如此年幼之时便开始接受教育，以准备进入政府或教会担任高层职位，这在那个年代并不稀奇。
因为1560年8月21日发生的一次日食，约恩想要第谷进入政治领域为国王服务的计划几乎很快就落空了。虽然全食发生在葡萄牙，在哥本哈根仅有偏食发生，但是让13岁的第谷充满想象的并不是日食壮观的景象，而是这一事实，即该事件很久之前便被预言到了，其所依据的是看起来似乎运行在恒星之间的月球的运行路径观测表——它们可以追溯至远古的观测而又经后来的观测（尤其是阿拉伯天文学家们的观测）得到修正。对他来说，那似乎是“某种神启般的事，人们可以如此精确地了解恒星的运行，因此可以早早地便预知它们的位置与相对位置”
。
在哥本哈根的余下时间中（只有大约18个月），第谷把大部分精力都用来研究天文学和数学，很显然，随着他的长大，他的叔父顺从了他的愿望。其中尤其是他买了一本拉丁语版的托勒玫著作，并在书中做了大量注释（包括他写在标题页的一段注释，记录了他是在1560年11月的最后一天花两元钱买的这本书）。
1562年2月，第谷离开丹麦去国外完成他的学业，这是意在将他转变成为与其社会地位相称的成年人的惯常做法的一部分。他去了莱比锡大学。他在一个值得尊敬的年轻人安德斯·韦泽尔（Anders Vedel）陪同下于3月24日抵达这里，韦泽尔只比第谷年长4岁，但被约恩指定为第谷的家庭老师，作为同伴出行并（很容易理解的是）管着这个年轻人不要胡闹。韦泽尔部分地成功了。第谷被认为是在莱比锡学习法律，并且很勤奋。但是他最喜欢的学问还是天文学。他把所有的闲钱都花在了天文仪器和图书上，并且晚上很晚不睡，亲自观测天空（方便的条件是，此时韦泽尔已然睡着）。即使韦泽尔掌握着财权，而且第谷不得不向韦泽尔解释他的开销的原因，但这位年长者并没有什么可做以抑制这一热情，第谷作为一个观测者的技艺与天文学知识迅速增长，远胜过他的法律知识。
不过，随着第谷有关天文学的知识越来越渊博，他认识到人们似乎以某种精度“获知恒星位置”，而这一精度远没有他最初所认为的那么非同凡响。例如1563年8月发生了一次土星与木星相合——在这一罕见的天文学事件中，这两颗行星在天上相距如此之近，以至于它们看上去好像合并在一起了。这对于占星家来说具有重要意义
，它被广泛预言，并受到热切的期盼。但是当该事件于8月24日真的发生之时，一些星表所预言的时间整整迟了一个月，甚至连最好的表也有几天的误差。正是在他的天文学生涯开始之时，第谷弄明白了他的前辈以及同时代人看来似乎不太情愿接受的观点（如果不是由于懒惰，那就是出于对古代人的极大敬重）：如果没有以比以往研究更为优良的精度对行星相对于恒星的运动做一系列长期艰苦观测，那么要正确理解行星运动及其性质就是不可能的。16岁时，他便已清楚了他的天职。要制出正确的行星运行表，唯一的办法就是通过旷日持久的一系列观测，而不是（像哥白尼所做的那样）偶或为之，或者几乎是不由分说地把这些偶尔的观测补充到古代人的观测中。
不要忘了，在天文望远镜研发之前的那些岁月，用来进行观测的仪器对建造技艺的要求很高，而在使用中的要求则更高（使用现代望远镜与计算机，事情就刚好相反了）。第谷在1563年所使用的最简单的技巧是：将一个两脚圆规拿在眼前，圆规的一个脚指向一颗恒星，而另一个脚指向要观测的行星——比如木星。利用如此张开的圆规测出理论上的距离，他就可以估算出两个天体当时在天上张开的角度
。但是他需要的是比这所能提供的更高的精度。尽管他使用的仪器的细节对我的故事来说并不是至关重要的，但有必要提一下一种被称作直角仪（或称半径仪）的仪器，它是第谷在1564年年初自行制作的。这是那个年代航海与天文学中所使用的一种标准设备，它主要由呈十字的两根杆组成，两根杆相互以直角滑动，标出刻度并细分为更小的刻度，这样，通过将恒星或行星排列在横杆的两个末端，就可以从刻度盘上读取它们的角距。第谷的直角仪被证明并未正确标记，而且他也没钱把它重新校准（韦泽尔仍试图行使约恩给他的职权，并阻止第谷把所有的时间和金钱都花在天文学上）。因此，第谷设计出一个仪器改正量表，对他所进行的任意观测，他都能从这个表中读取用直角仪获得的不正确读数所对应的正确量。这将成为一个样板，数世纪以来为试图成功处理不完美仪器的天文学家们所仿效，包括对哈勃太空望远镜所做的著名的“修补”——用额外的一组反射镜来修正望远镜主镜中的缺陷。
作为一名（就我们所知）前途无忧的贵族，第谷并无必要完成他获得学位的仪式。而且，由于瑞典与丹麦已经开战，而他叔父认为他应该回家，第谷于1565年5月离开了莱比锡（仍然是在韦泽尔的陪伴下）。他们的团聚十分短暂。第谷在月末时回到哥本哈根，在这里，他发现约恩也刚刚从波罗的海的一场海战中返家。但是几周后，当国王腓特烈二世（Frederick Ⅱ）以及包括海军上将在内的一众随行人员横穿一座从哥本哈根城堡通往城里的桥时，国王跌落水中。很多人跳下去救他，而约恩也是其中之一，尽管国王的健康并未受到长远的危害，但约恩却因为浸泡在水中而患了感冒，并由此引发了并发症，于6月21日去世。第谷从叔父那里继承了一笔遗产，虽然家中其他成员并不赞成第谷对星星的兴趣，而且更愿意他去找一份与他的社会地位相称的职业，但是他们并没有什么办法来约束他（除非再来一次绑架）。1566年年初，也就是他19岁生日之后不久，第谷动身开始了他的旅行——造访维滕堡大学，随后在那定居了一段时间，后来在罗斯托克大学学习，并最终在这里毕业。
学习的科目包括占星术、化学（确切地说是炼金术）以及医学，有一段时间，第谷还进行了少量的星体观测。他的兴趣范围并不令人吃惊，因为这些学科中的任何一门所包含的知识都太少，因此试图成为当中的一名专家并没有多大意义，比如，所谓占星的力量是指，人们认为天上发生的事与人体的运行之间有着强烈的关联。
像他的同辈人一样，第谷是一个占星术的信奉者，并且在占星预言方面越来越娴熟。1566年10月28日，就在他抵达罗斯托克后不久，发生了一次月食。根据他推算出的天宫图，第谷声称该事件预言了奥斯曼帝国苏丹苏莱曼（Sulaiman，人称苏莱曼大帝）之死。事实上，这并不是一个非常了不得的预言，因为苏莱曼已然80岁了。这个预言在基督教欧洲也深得人心，因为苏莱曼之所以赢得苏莱曼大帝这个绰号，部分是因为他对贝尔格莱德、布达佩斯、罗得斯、特萨比兹、巴格达、亚丁以及阿尔及尔的征服，并且对1565年一次大规模进攻马耳他负有责任，而圣约翰骑士团成功地抵御了那次进攻。奥斯曼帝国在苏莱曼统治下达到顶峰，并成为基督教欧洲东部国家的严重威胁。当苏丹的确去世的消息传到罗斯托克时，第谷的声望迅速飙升——但是当苏丹之死被证明发生在月食几周前时，他的成就减色了不少。
同年晚些时候，第谷人生中最著名的事件之一发生了。在12月10日举行的一次舞会上，第谷与另一位丹麦贵族帕斯杰格（Manderup Parsbjerg）发生了争吵。两个人在12月27日的一次圣诞晚会上再次撞到了一起。他们吵得很凶，以至于只能以决斗来解决问题（我们并不确切知道究竟所为何来，但关于此事的其中一种说法是，帕斯杰格嘲笑第谷有关一位已故苏丹之死的预言）。12月29日晚上7点，他们在黑漆漆的夜里再次相遇（这个时间选得如此古怪，因此很可能是一次意外相遇），并且以剑相互搏击。这场决斗并无最终结果，但第谷遭到了重击，他的鼻子被削去了一块，在他人生余下的时光，他用一个以金银特制的鼻子隐藏了这一缺陷。与大多数流行的记述相反，第谷失去的并不是鼻子尖，而是鼻子上部的一大块；他还常常随身带着一盒药膏之类的东西，人们经常看到他将药膏涂在受伤的部位以缓解疼痛。
除了它的猎奇价值之外，这个故事的重要性在于，它恰当地描绘了第谷的形象，此时距离他的20岁生日没过去几天，作为一个开启新时代的人，他骄傲地意识到自己的能力，而且并不总是情愿循规蹈矩地走一条小心为上的道路。这些特点在他后来的人生中显露出来，给他带来的麻烦远甚于一个残缺的鼻子。
在罗斯托克期间，第谷几次造访了他的祖国。尽管他未能使他的家庭确信他遵从自己对像天文学之类事情的兴趣是在做一件正确的事情，但在另一方面，他作为一名饱学之士的声望日益增长，这也是有目共睹的。1568年5月14日，第谷收到来自国王——仍然是腓特烈二世——的正式承诺，他会成为下一任教士去补西兰岛罗斯基勒大教堂的空缺。尽管宗教改革已于30多年前的1536年发生，而丹麦坚定地支持新教，但从前付给大教堂教士的收入所得，如今则用来为饱学之士提供支持。他们仍被称作教士，而且仍住在与大教堂关系密切的社区，但他们并无宗教义务，而他们的职位则完全由国王授予。腓特烈二世提供的职位当然反映了第谷作为一名“饱学之士”的潜力，但同样值得记住的是，如果说这一许诺对于如此年轻的一个人来说非常之慷慨的话，那么从严格意义上来说，第谷的叔父则是为国王尽忠而去世的。
在罗斯托克完成了他的学业之后，由于有了这一担任教士的许诺而未来前景已有保障，第谷于1568年年中再次启程旅行。他再次造访了维滕堡，然后是巴塞尔，随后于1569年年初在奥格斯堡定居了一段时间，并在那里着手进行了一系列的观测。为了有助于这一工作，他让人为他制作了一个名叫“象限仪”的大型仪器。它的半径约6米，如此之大，所以它的圆形外框可以角分级精度进行校准以进行精确观测。它矗立在一位朋友的花园中的小丘上达5年之久，后于1574年12月因一次风暴而被损毁。但当他父亲病重的消息传来时，第谷于1570年离开奥格斯堡返回了丹麦。尽管如此，第谷并未从他毕生的事业上分神，而且直到这年12月底，他一直都在赫尔辛堡进行观测。
奥托于1571年5月9日去世，年仅58岁，死前将他位于克努兹特鲁普的主要财产留给他的两个最大的儿子第谷和斯蒂恩（Steen）共同所有。第谷随后与他的舅舅——名字也叫斯蒂恩——一起生活，这位舅舅是这个家中唯一曾鼓励过他对天文学的兴趣的人，而且据第谷自己说，舅舅也是最早将造纸与玻璃制造大规模引进丹麦的人。直到1572年年底，也许是在老斯蒂恩的影响下，第谷将主要精力投入到了化学实验中，然而他从未放弃过对天文学的兴趣。但是在1572年11月11日晚上，由于宇宙所能带来的最富戏剧性的一个事件，第谷的人生再度发生了改变。
那天晚上，第谷正从实验室回家，沿途将整个的星空尽收眼底，这时他意识到仙后座——这个W形的星座是北天最与众不同的一个——有一些古怪。在这个星座里多了一颗星星。不仅如此，它还特别地亮。要充分了解这一事件对第谷及其同代人的影响，你必须得记住，当时，恒星被视为附着在水晶天球上固定的、永恒不朽的、不变的发光体。星座始终都是不变的，这是天界完美概念的一部分。如果这真是一颗新的恒星，它就破坏了这一完美概念——而且一旦你认可了天界并不完美，谁又能知道随后可能会发生什么呢？
不过，一次观测并未证明第谷看到的就是一颗新的恒星。它可能是一个较小的天体，比如彗星。在当时，彗星被认为是大气现象，发生在离地球表面不远的地方，甚至未及月球那么远（尽管当时众所周知的常识是，大气本身至少延伸到月球那么远了）。辨别的方法是测定这个天体相对于仙后座邻近恒星的位置，看它的位置是像一颗彗星或小行星一样发生了变化，还是像一颗恒星一样一直保持在相同的位置上。幸运的是，第谷刚刚建造完成另一架巨大的六分仪，在随后的日子里，每当夜晚晴朗无云之时，他就集中精力观测这颗新的星星。它一直都很显眼，长达18个月，而且在那段时间里，它从未发生相对于其他恒星的位移。它的确是一颗新的恒星，尽管从1572年12月起它逐渐变得黯淡，但是在最初的时候是如此明亮（像金星一样明亮），甚至在白天也能看到。当然，其他很多人也看到了这颗星星，而有关它的意义，很多充满幻想的记述也在1573年被传播开来。第谷撰写了他对这一现象的记述。尽管他起初并不情愿将它发表出来（可能是因为他担心其他人对于天界完美概念被打破而作出的反应；也因为这颗星星尚可见，所以他的记述必然是不完整的；还有相当重要的原因则在于，对一名贵族来说，被人发现在从事这样的研究可能会被看作不体面），但他在哥本哈根的朋友们说服他应当原封不动地将这份记录付印出版。结果就诞生了一本名叫《论新星》（
De Nova Stella
）的小册子，它出版于1573年，并给了我们一个天文学的新名词：新星（nova）
。第谷在这本书里表明，这个天体不是彗星或小行星，它必定属于恒星天球，他（以含糊不清和概略的词汇）讨论了新星在占星术上的意义，并与喜帕恰斯（Hipparchus）在公元前125年前后在夜空中看到的一个天体进行了对比。
在那个时代，要从天上任何可见物中读出占星术意义是相当容易的事，因为欧洲的许多地区都处于骚乱中。伴随着宗教改革取得的最初胜利，天主教会正在进行反击，这尤其是通过耶稣会士在奥地利以及德国南部的活动实现的。在法国，胡格诺派新教徒在后来被称为法国宗教之战的战争中期受到重创，而在荷兰，独立战士与西班牙之间展开了血腥的战斗。第谷要撰写一本关于一颗出现在混乱期间的新的恒星的书，而对占星术连个起码的了解也没有，这几乎是不可能的。但《论新星》中的关键事实是确定无疑的，即这个天体在恒星中固定不动，而且满足每一条标准，从而可以被看作一颗真正的新星。其他很多天文学家研究了这个天体（包括态度与第谷本人极为相似的托马斯·迪格斯），但第谷的测定显然是最精确可靠的。
这里有一件事颇有讽刺意味。第谷特别注意这颗星，进行了集中的研究，他要看看，假如地球的确绕太阳转动的话，那么是否存在任何可以预期到的视差运动。因为第谷是一位十分优秀的观测者，又制造了十分精确的仪器，他的观测是当时所进行的对视差的搜索中灵敏度最高的。他没能找到任何视差的证据，这是一个重要因素，使他确信地球是固定不动的，而恒星在它们所处的水晶球层上绕地球转动。
第谷的人生并未因他在新星（现在被称为第谷星或第谷超新星）的工作而立即发生改变，但在1573年，由于个人原因，的确发生了显著的变化。他与一个名叫克里斯蒂娜（Christine或Kirstine）的女孩一直保持着暧昧关系，并过上了安定的生活。关于克里斯蒂娜，人们几乎一无所知，只知道她是一个没有贵族头衔的平民——有些记述称她是一个农夫的女儿，有些则说她是牧师的女儿，还有一些说她在克努兹特鲁普做用人。可能因为身份地位的差异，这对夫妇从未举行正式的婚礼。不过，在16世纪的丹麦，这样一个婚礼被看作可有可无之事，那里的法律规定，如果一个女人与一个男人公开同居，拿着他的钥匙，并且在他的桌上吃饭，那么三年后，她就是他的妻子。只是为了防止可能出现的任何疑虑，在第谷去世后不久，他的几个亲戚签署了一份法律声明，其内容包括他的小孩是合法的，而孩子们的母亲已经是他的妻子了。无论正式的身份如何，这场婚姻是成功的，而且看起来是幸福的。他们的孩子中，四个女儿和两个儿子都活到了成年，其余两个则在婴儿时就夭折了。
1574年，第谷花了部分时间在观测上，但在哥本哈根这一年的大部分时间里，在国王的要求下，他在大学里做了一系列演讲。不过正如这个要求所显示的，尽管他的声誉正值上升期，但他在丹麦过得并不快乐，并认为如果去国外的话，他的工作可能会得到更多支持。在1575年的大范围旅行之后，他看来已决定在巴塞尔定居下来，并于年底返回丹麦收拾东西准备搬家。不过到这个时候，宫廷也知道第谷的存在给整个丹麦增加了威望，而国王也对此表示赞同，他被敦促去做点什么以将这位如今已很有名的天文学家留在国内。第谷拒绝了将皇家城堡作为他的研究之所的提议，考虑到将会伴随而来的行政管理职责与义务，这可能是明智之举，但并不是大多数人会拒绝的提议。国王腓特烈二世并不气馁，他想到了一个主意，即为第谷提供一座小岛——位于哥本哈根与赫尔辛格之间海湾中的汶岛。这个提议包括由王室掏钱在岛上建造一座适用的房子，外加一笔收入。这的确是第谷不可能拒绝的机会，1576年2月22日，他第一次造访这座小岛——他大部分的观测都将在此进行，而在那天晚上，他在这座岛上对火星与月球相合进行了适时的观测
。将该岛转让给第谷的正式文件由国王于5月23日签署。29岁那年，第谷的未来似乎是安心无忧了。
只要腓特烈二世在位，第谷就能够尽享空前的自由，并以他喜欢的方式来运作他的天文台。这座岛很小——约呈椭圆形，沿它最长的对角线从一侧海岸到另一侧海岸仅约4.8千米——岛上最高点被选作第谷新住所与天文台的位置，这里仅高出海平面约48米。起初，钱并不成问题，因为除了其他收入，第谷还被赠予了大陆上的更多土地。糟糕的是，他忽视了作为这些土地领主的职责，这最终导致了问题，但一开始，他似乎颇为受益而无须承担什么责任。甚至许诺了很久的大教堂教士职位最后也于1579年落到了他身上。天文台以天文女神乌拉妮娅（Urania）的名字被命名为天堡（Uraniborg），并且经过数年时间逐渐发展成为一个有着观测台、藏书室以及书房的重要科学机构。仪器是用钱所能买到的最好的，而且随着观测工作逐步展开，更多的助手来到岛上与第谷一起工作，第二座天文台也在附近被建造起来。第谷在天堡成立了一个出版社以确保他的书与天文数据（以及他相当不错的诗集）的出版，由于很难弄到纸张，他又造了一个造纸厂。但不要以为天堡就是现代天文台与技术建筑群的先驱。即使在这里，第谷的神秘主义也反映在建筑设计中——这座建筑本身就是为表现天空的结构而设计的。
第谷随后20年在岛上的大部分工作可能都被掩盖了，因为其工作内容是沉闷但却极其重要的——夜复一夜地测定行星相对于恒星的位置，并分析结果。更确切地说，精确观察太阳“穿过”星座的运动轨迹用了4年时间，观测火星和木星的运动轨迹各花了12年时间，还有13年时间用于确定土星轨道。尽管第谷从16岁起就开始了他的观察活动，但他较早时期的测量并不完善，而且也不如他此时所能做到的那样精确；即使向前推进20年，汶岛对于他正在进行的工作也是刚好够用。直到第谷死后，开普勒利用第谷的星表来解释行星的运行轨道，第谷的上述工作才算瓜熟蒂落。不过在1577年，就在他的日常观测工作进行当中，第谷观察到一颗明亮的彗星，而他对于彗星运动的仔细分析决定性地表明它不可能是发生在月下区的一种局部现象，而必定是从行星中间穿行——实际上是横穿行星轨道。与1572年的超新星观测一样，这对关于天界的陈旧观念是一次极大的打击，而这一次摧毁了水晶天球的概念，因为彗星正是从原先认为的这些天球所在位置穿行而过。
尽管这颗彗星早前已在巴黎和伦敦被人们注意到，但第谷第一次看到它是在1577年11月13日。其他的欧洲观测者也计算出彗星肯定是从行星当中穿行而过的，但普遍认同第谷的观测比其他任何人的观测都更为精确，而且正是他的工作使他所在时代大多数人头脑中的问题得到了最终解决。随后几年中，其他某些更暗弱的彗星也以同样的方式得到研究，这也进一步证实了他的结论。
对彗星的研究以及稍早时候对超新星的研究，激励第谷撰写了一部重要的著作——《新天文学导论》（
Astronomiae Instauratae Progymnasmata
），它分为两卷，分别于1587年和1588年出版
。正是在这部著作中，他清楚阐明了自己的宇宙模型，以现代眼光看来它似乎有所倒退，因为它是介乎托勒玫体系与哥白尼体系之间的某种过渡模型。但是第谷模型中某些内容有新见解，而且它理应得到比通常所认为的更多的赞赏。
第谷的观点是，地球位于宇宙中心固定不动，太阳、月球以及恒星绕地球沿轨道运行。太阳本身被视为位于5颗行星的轨道中心，水星和金星运行轨道比太阳绕地球运行轨道稍小，而火星、木星以及土星则在以太阳为中心但将太阳与地球均包含在内的轨道中运行。该体系去掉了本轮和均轮，而且它解释了太阳运动何以与行星的运动混在一起。此外，通过将行星轨道中心从地球移出，第谷将假定为恒星所在位置之外的大部分空间填补上了——在第谷模型中，这一空间距离我们只有14000个地球半径远（当然没有视差问题，因为在这个模型中，地球是静止不动的）。其中意义深远且与现代观念颇为相似的观点是：第谷并不认为轨道与像水晶天球这样的物质实体有什么关联，而仅仅将它们看作描述行星运动的一种几何学关系。尽管他并未以此方式做出阐述，但他是第一位设想行星并无实体支撑地悬浮在虚空的空间中的天文学家。
但就另一方面而言，第谷并不怎么现代。他无法接受让地球动起来这个被他称为“物理学上荒谬可笑的想法”，而且他确信，如果地球绕地轴转动，那么一块从高塔上落下的石头就会落到塔的一侧很远的地方，因为当石头下落时，塔下面的地球在转动。还要指出的关系密切的一点是，对哥白尼体系最激烈的反对此时仍然来自北欧的新教徒，而天主教会则很大程度上对之置若罔闻（布鲁诺尚未激起他们反对这些观点）。宗教的宽容并不是16世纪晚期丹麦的特点，任何一个地位完全依靠国王资助的人去支持哥白尼学说都是不理智的，即使他的确相信（很显然的是，第谷并不相信）。
就在日常观测（它对科学非常重要，但要做出描述却绝对是枯燥无味的）继续进行之时，由于腓特烈二世于1588年去世，第谷在汶岛的职位开始受到威胁，此时正是他的书即将付印之际。国王腓特烈二世去世时，他的继任者也就是他的儿子克里斯蒂安（Christian）只有11岁，丹麦贵族选出了4名贵族作为监护人，直到克里斯蒂安年满20岁。最初，内阁对第谷的态度几乎没什么变化——甚至在那年的早些时候，有更多的资金被提供给他用以支付他在建造天文台时所欠下的债务。在汶岛的最后那几年，第谷的天文台显然被看作一个重要的国立机构，他接待了很多著名的来访者，其中包括苏格兰的詹姆斯六世（James Ⅵ，后来在伊丽莎白去世后成为英格兰的詹姆斯一世），后者曾赴斯堪的纳维亚迎娶国王克里斯蒂安的一个妹妹安妮（Anne）。他们俩一见如故，而詹姆斯则授权给第谷一项在苏格兰出版其全部作品的为期30年的版权。其他的来访者没有这么志趣相投，而第谷显然也并不总是乐享其作为某种宠物的角色。由于他对他不喜欢的来访者态度傲慢，而且他还允许出身低微且未结婚的同居妻子坐在餐桌上的主位从而在礼节上带有轻侮色彩，因此冒犯了某些贵族。尽管我们并不知道全部的原因，但很清楚的是，第谷早在1591年就对他在汶岛上的工作安排感到不满了，当时他在一封致朋友的信中写到对他的工作来说有某种令人不快的阻碍，他希望加以解决，他还评论说：“任何一片土地都是勇敢者之国，头顶处处皆天国。”
由于疏于维护其财产名下的一个小教堂，第谷还与他在本土的一些佃户闹出不和，并陷入了与主事者的纠纷。但是这些令人分神的事儿似乎并没有影响到他的观测，后者包括一个重要的恒星位置星表——他在1595年时说恒星数目已逾千，不过在开普勒编辑的第谷《新编天文学初阶》（
Progymnasmata
）第1卷中仅有777颗恒星的最精确位置被最终发表。
一年后，国王克里斯蒂安四世（Christian Ⅳ）登基，并很快就开始让人们注意到他的存在。克里斯蒂安意识到有必要在国家事务的几乎所有领域中采取节约措施，其中包括立即收回由腓特烈二世授权给第谷的本土地产。第谷在宫廷的大部分朋友这时都已去世（第谷本人也年近五旬）。国王的想法也许是对的，他认为有了早就建造并且运行平稳的天堡，那么用已经大幅削减的预算来维持其低速运转应该是有可能的。但是第谷习惯了过度放纵，并且将任何收入的削减都视为一种侮辱和对他工作的威胁。如果他不能将天堡维持在他想要的水准，且有众多助手、印刷工人、造纸工以及其他种种，他就根本无法维持其运行。
1597年3月，国王砍掉了第谷的年恤金，事情到了非解决不可的地步。虽然凭着自己的能力，他仍然是一个富有的人，但第谷觉得这是他最后的救命稻草，并且准备即刻采取行动。他于1597年4月离开了小岛，在哥本哈根度过了几个月后便动身踏上旅程，在大约20名随行人员（学生、助手等）陪同下去了罗斯托克，还带着他最重要的便携式仪器和他的印刷机。
在那里，第谷看来似乎已重新考虑过，并且给国王克里斯蒂安写了一封他自以为的和解信，他在信中（除了其他很多内容之外）说，如果有机会继续他在丹麦的工作，他“不会拒绝这么做”。但这只是使事态变得更糟。克里斯蒂安被第谷高调的语气以及视国王如地位同等之人的行事方式冒犯了，尤其是被这种傲慢的措辞弄得很不愉快，这一措辞暗示着第谷可能会拒绝王室的请求。国王在回信中说：“得知你从其他君主那里寻求帮助，这令我们很不高兴，就好像我们或是我们的王国如此贫穷，以至于除非你带着你的女人和孩子去向人乞讨便无法买单一样。然而现在事已至此，我们不得不任其如此，而且无论你离开这个国家还是留在这里，都不会令我们感到焦虑不安。”我必须得承认我对克里斯蒂安的同情多过他在通常情况下所得到的，一个没第谷那么傲慢自大的人或许能够与国王达成和解，而不离开汶岛。但另一方面，一个没第谷那么傲慢自大的人可能仍然会让他的鼻子完整无损，而且最重要的是可能绝不会成为一位这么伟大的天文学家。
第谷彻底绝了自己的后路。他继续前往汉堡附近的万茨贝克，在那里，他在物色一个新的永久性观测基地的同时，也重新开始了他的观测计划（确实，头顶处处是天国）。这给他带来了来自神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世（Rudolph Ⅱ）的邀请，此人对科学与艺术的兴趣远甚于对政治活动的兴趣。这对第谷有利，但对欧洲中部大部分地区则不利，因为鲁道夫的统治导致了“三十年战争”，而这部分是由于他作为政治家实在拙劣（一些历史学家认为他是个十足的疯子）。1599年6月，第谷（已经离开他在德累斯顿的家）来到了帝国首都布拉格。正式谒见皇帝之后，第谷被任命为帝国数学家，被提供了一笔可观的收入，并可以在3座城堡中选择其一来建立他的观象台。第谷选中了布拉格东北35千米处的贝纳特基，并且带着某种解脱的心情独自离开了城市——当时的一个报道如此描绘它的城墙：
不那么牢固，而且如果不是那街道的恶臭击退了土耳其人……存在于其防御工事中的希望甚微。街道肮脏不堪，有各种各样的大型市场，一些房屋的建筑是用乱石建造的，但大部分都是木料与黏土，而且饰以绘画作品，墙全部是由整棵树制成的，这些树仍然保持着它们从树林里出来时的原样，树皮完全未经过加工，甚至从两侧都可以看出来。
这与天堡的宁静与舒适相去甚远。毫不令人奇怪的是，1599年接近年底时，为了躲避鼠疫的暴发，第谷在乡下一个与世隔绝的皇家住宅度过了几周时间。但是随着威胁过去，他的家庭从德累斯顿抵达，第谷在城堡也开始安顿下来，并派他最大的儿子去丹麦取汶岛上的4件大型观测仪器。把这些仪器弄到贝纳特基城堡花了很长时间，而城堡也不得不进行了改造以建成一个适用的观象台。此时的第谷年已五旬，一点儿也不令人惊讶的是，在其留居此地直到去世之前的这段短暂时光里，第谷在这里没有进行任何重要的观测。但即使在抵达布拉格之前，他就已经建立起了某种关联，而这保证了他一生的事业将会在下一代天文学家中最有能力的一位，即开普勒手中得到可能实现的最好的使用。
第谷的家世曾使他从一出生便先声夺人，而约翰内斯·开普勒在家世方面并没有什么优势。尽管来自一个曾一度位列贵族阶层并拥有自己的纹章的家庭，但开普勒的祖父泽巴尔德·开普勒（Sebald Kepler）是一个皮货商，约于1520年从他的家乡纽伦堡迁到距离德国南部斯图加特不远的魏尔德尔施塔特。泽巴尔德是一个成功的手艺人，他在社区威信很高，曾经一度担任过市长。这是个了不起的成就，因为这座城市是由天主教徒统治的，而他是一名路德派教徒；泽巴尔德显然是一个工作勤奋的人，也是社区的台柱子。但他最大的儿子几乎与他不可同日而语——海因里希·开普勒（Heinrich Kepler）是一个败家子和酒鬼，他唯一的稳定职业就是一名雇佣军，服务于任何一位需要招募帮手的君主。他结婚很早，娶了一个名叫凯瑟琳（Katherine）的女人，夫妻二人与海因里希的几个弟弟共居一个屋檐下。这场婚姻并不成功。除了海因里希的过错之外，凯瑟琳本人也是个爱吵架且很难共同生活的主儿，她特别相信包括草药以及诸如此类的民间疗法的疗效，这在当时并不鲜见，但却最终导致她被疑为女巫而遭监禁，也给约翰内斯·开普勒带来巨大的悲痛。
约翰内斯·开普勒的童年显然是动荡不安的，而且很有些孤独［他唯一的弟弟克里斯托弗（Christoph）比他年幼太多］。他出生在1571年12月27日，但在他只有两岁的时候，他的父亲离家赴荷兰打仗，凯瑟琳也跟着一起去了，而把小婴儿留给他的祖父照料。海因里希和凯瑟琳于1576年返回，并把家搬到了符腾堡公国的莱昂贝格。但在1577年，海因里希再度离开去参战。回来后，他尝试了各种不同的生意，其中包括1580年在埃尔蒙西根小镇经营一家酒吧——这是醉汉的心头所好。并不让人感到惊讶的是，他损失了所有的钱。最后，海因里希再一次动身去充当雇佣兵，想要碰碰运气，并彻底从他的家庭消失了。他的命运并不确切为人所知，但他可能参加了意大利海军的军事行动；无论如何，他的家人再也没有见到他。
就是在这一混乱情况下，开普勒被从一个家庭抛到另一个家庭，从一个学校被踢到另一个学校（但至少他的家族在社会上还是爬到很高的位置，从而足以让他在由符腾堡公爵设立的一项基金提供的奖学金帮助下去学校读书）。似乎这还不够糟糕，在与祖父一起生活的那段时间里，他还患上了天花，这使他此后视力都非常糟糕，以致他绝无可能成为一个像第谷一样的天空观察者。但他的大脑并未受到影响，尽管他因搬家不得不换学校而一再延迟学业，7岁的时候他还是获准进入莱昂贝格一所新开办的拉丁语学校。这类学校在宗教改革之后即被引入，主要是为教会或国家管理部门准备工作人员；学校里只说拉丁语，以便向学生们反复灌输这种当时所有受过教育的人所使用的语言。由于学业多次中断，开普勒花了5年时间才完成本该3年完成的课程——但作为一名拉丁语学校的毕业生，他有权参加神学院的入学考试，并接受成为教士的教育，对于一个才智聪颖的年轻人来说，这是摆脱贫穷与苦力生活的明显而传统的出路。虽然开普勒对天文学的兴趣在他孩提时代就因（在两次不同场合）看到一颗明亮的彗星（即第谷在1577年研究过的那一颗）以及一次月食而被激发出来，但当他于1584年通过考试而在12岁被接收进入爱德堡的一所学校时，他在教会中的前途看来已清楚规划好了。和上次一样，学校的语言是拉丁语，开普勒已逐渐说得很流利了。
虽然学校的纪律十分严苛，而开普勒是一个经常生病的孱弱的年轻人，但他显示出了学术上可能的潜质，因此很快就转入毛尔布龙一所更高级的学校，并在导师指导下准备进入蒂宾根大学，以完成他的神学学习。他于1588年通过了大学的入学考试，随后，在他17岁可以入读大学之前，他还不得不先完成他在毛尔布龙的最后一年课程。虽然是接受培养以成为一名教士，但开普勒在最初两年中被要求修读的课程包括数学、物理学和天文学，在所有这些课程中，开普勒都很出众。他于1591年结束课程部分的学习，在14个人的班里名列第二，并继续他的神学学习，而在这方面，他被导师认为是一个才华出众的学生。
在这个过程中，他还学习了一些并未列入正式课程的东西。大学里的数学教授是麦斯特林（Michael Maestlin），在公开场合，他尽职尽责地向学生讲授经由新教教会批准的托勒玫体系。但在私下里，麦斯特林也向一群被他认为有前途而选出来的学生讲解哥白尼体系，这些学生中也包括开普勒。这给这个年轻人留下了深刻的印象，他很快就看到日心宇宙模型的威力与简洁。但是开普勒对他所处时代的严格的路德派教义的偏离并非仅仅在于他乐意接受哥白尼模型。他严重怀疑某些礼拜仪式在宗教上的意义，而且尽管他坚信上帝的存在，但他从未找到一个在他看来教义与仪式都能讲得通的正式建立的教派，他坚持以自己的方式崇拜上帝——这在那个动乱的年代确实是一种危险的态度。
开普勒是如何使自己的信念与他作为路德派牧师的角色达成和解的，这一点我们永远无从知晓，因为在他本应完成神学学习的1594年，他的人生因为奥地利一个名为格拉茨的遥远城市中一个人的故去而被改变了。不管距离有多遥远，但格拉茨的一所神学院一直与蒂宾根大学保持着密切的学术联系，当该神学院数学教授去世时，校方很自然地请蒂宾根大学来建议可接替的人选。蒂宾根校方推荐了开普勒，而开普勒恰在此时正考虑开始其作为牧师的一生，因此在得到这个邀请时相当惊讶。虽然最初时并不情愿，但他还是让自己相信他的确就是担任这个工作的最佳人选，并且在离开之时提出了条件：如果他想，他可以在两年内回到大学来，完成他的学习并成为一名路德派牧师。
这位22岁的数学教授于1594年4月11日抵达格拉茨。虽然还是在神圣罗马帝国治下，但他已然穿过了一道意味深长的、隐匿的边界，从新教教派统治的北部来到天主教影响居强势的南部地区。但是，这一隐匿的边界总是处于不断的变化之中，因为自《奥格斯堡和约》（Peace of Augsburg）于1555年签订以来，每位君主（或公爵，或是其他无论什么人）都有权决定其势力范围内适合的宗教。几十位君主统治着“帝国”治下各自的独立小国，而当某位君主去世或被推翻，或是被不同宗教信仰的其他人所取代时，其治下小国的宗教有时可以说是一夜之间即发生了变化。某些君主很宽容，允许信仰的自由；另一些则坚持要其所有的臣民皈依新的正在实行的宗教，否则就马上没收他们的财产。格拉茨是一个名叫施蒂里亚的独立小国的首都，它由查理大公（Archduke Charles）统治，此人决意对新教运动进行镇压，尽管在开普勒抵达时，像格拉茨的路德派神学院这样的例外仍然受到容忍。
由于没有来自家中的经济来源，开普勒很穷——他的大学学习已由奖学金支付，而他不得不借钱赴格拉茨。因为神学院决定在他证明自己的价值之前只支付给他3/4的薪酬，所以他的境况并未得到改善。但是有一个办法让他可以既挣到钱又能受到格拉茨上层人士的喜爱：用占星术算命。终其一生，开普勒都用占星术来作为对其总是不足的收入的一种补充。但他清楚地认识到这件事完全就是胡扯，他在讲一些模棱两可的套话以及告诉人们他们想听的话方面益发技巧娴熟，而在私人信件中，他则将他的客户称为“傻瓜”，并将占星生意描述为“愚蠢且空虚的”。有一个例子可以证明开普勒在这一可鄙的技艺方面的技巧：他被委任来编订一份1595年的年历，提前对这一年的重要事件做出预测。他成功的预测包括：施蒂里亚农民的反抗运动，东部土耳其人对奥地利的入侵以及一个酷寒的冬天。他在将这些常识性预言改头换面成占星术莫名其妙之辞方面的技艺不仅为他在格拉茨建立了声誉，而且将他的薪酬提高到了足以与他的职位相称的水平。
尽管开普勒可能并没有他大多数同行那么迷信，但他还是太倾向于神秘主义而无法被称为第一位科学家。这无疑在他对宇宙学争论所作的最早的重要贡献中得到凸显，这一贡献也将他的声名远播至施蒂里亚之外。
因为糟糕的视力，开普勒永远无法成为一个有效的天空观察者，而且在格拉茨，他也无法得到观测数据。因此，他转而追随古代先贤的智慧足迹，运用纯粹理性与想象以尝试提出一个关于宇宙性质的解释。当时尤其让他着迷的问题是：如果接受哥白尼体系是正确的，认为地球本身也是一颗行星的话，宇宙中为什么应当有且仅有6颗大行星？在为此伤了一阵子脑筋之后，开普勒忽然想到，行星的数目可能与用欧几里得几何学所能做出的正多面体形状的数目有关。我们都很熟悉立方体，它的6个面均为完全相同的正方形。其他四个正多面体是：由4个完全相同的三角形的面组成的四面体；由12个完全相同的五边形组成的十二面体；二十面体（由完全相同的三角形的面组成的更为复杂的二十面体形状）；八面体（由八个三角形的面组成）。
开普勒想出的这个聪明的主意是将这些（想象出来的）正多面体一个套一个地嵌在一起，以使每个在内部的正多面体正好与包在其外部的球体相接，而这个球体也正好与外部相邻的正多面体的面内侧相切。利用5个欧几里得正多面体，一个球位于最里面的正多面体内部，而一个球位于最外面的正多面体外部，这样就定义了6个球体——每个球体就是一个行星的轨道。将八面体放在最中心的位置，围绕着太阳并正好以水星轨道形成一个球体，随后是二十面体、十二面体、四面体和正方体，通过这样一种结构，他得到的球体间距与围绕太阳运行的行星轨道间距大致相等。
这种一致只不过是个大概，而且它建立在相信天空必定由几何学所支配的神秘信仰基础之上，而不是我们今天谓之科学的基础上。一旦开普勒本人表明行星的轨道是椭圆形（就像拉长了的圆形），而非圆形，这个模型就会崩溃；而且无论如何，我们现在知道有超过6颗行星，因此几何学即使就其本身的意思来说也是不管用的。但是当开普勒于1595年年末提出这一见解时，这对他来说就像是一个神启——这可是件颇具讽刺意味的事，因为通过支持太阳位于宇宙中心的哥白尼模型，开普勒的见解公然违抗了路德派的教义，但开普勒仍是一个路德派教徒，虽然有些勉强。
开普勒在1595—1596年的这个冬天对他的想法做出细致的思考，并与他昔日的老师麦斯特林通信进行了讨论。1596年年初，他获准从他的教职上休假去看望他生病的祖父母，并利用这个机会去蒂宾根拜访了麦斯特林。麦斯特林鼓励开普勒写一本书来详细阐述他的观点，并监督了该书的印刷——它出版于1597年，即开普勒返回格拉茨后不久（时间上相当地晚，但随之而来的是他如今广受讨论的宇宙模型给他带来的荣耀）。该书通常叫作《宇宙奥秘》（
Mysterium Cosmographicum
），以事后之见来看，它所包含的观点比它所描述的正多面体嵌套模型更为重要。开普勒留心到了哥白尼的观测中的这一现象，即行星在它们的轨道中运动得越慢，它们距离太阳就越远，并认为它们是通过一种从太阳发出并推动它们的力［他称之为“活力”（vigour）］而被维持在它们的轨道上运行。他论证说，（可以说）距离太阳越远，活力就会越弱，因此只能以更慢的速度推动更远的行星。这一想法部分地受到吉伯（William Gilbert）在磁学方面的工作激励（有关这一点会在下一章更详细地论述），它是向前推进的重要一步，因为它提出了行星运动的物理学原因，而之前所有人提出的最好观点都是行星是由天使推动而行。开普勒明确说道：“我的目的……是表明，宇宙这台机器并不像由神推动的存在，而与一只钟表相似。”
开普勒寄送了几册他的书给他那个时代最著名的思想家，包括伽利略（伽利略并未费心去回信，但在其演讲中提到了这个新模型），而且最重要的是，他寄给了当时在德国的第谷。第谷给开普勒回了信，对他的工作进行了详细的评论，并对作者在书中表现出的数学才能印象深刻，尽管日心宇宙的观点仍然是他所讨厌的。第谷的确对之印象深刻，以至于他建议开普勒也许应该加入他身边的助手团队。这个提议不久就被证明在时机上恰到好处。
1597年4月，开普勒娶了芭芭拉·米勒（Barbara Müller），她是一个年轻的寡妇，也是一个富商的女儿。尽管他需要在经济上有保障可能是婚姻的一个因素，但由于开普勒如今有全薪工作，而且很享受幸福的家庭生活，因此在一开始所有的事都很美满。但是两个孩子幼年便夭折（虽然另外三个孩子后来幸存下来），芭芭拉家族认为芭芭拉屈尊下嫁也收回了她原本有权得到的钱财，可见与开普勒在一起仅靠教师收入（即使是全职薪酬）维持的生活远比作为成功商人之女的生活艰辛得多。由于开普勒热衷于通过与其他数学家联系并与他们讨论他的想法来巩固其新的声名，另一件麻烦事也因此骤起。他给当时的帝国数学家俄尔苏斯（Reimarus Ursus）写了一封信，征求此人对其工作的建议，并且谄媚地赞美俄尔苏斯是史上最伟大的数学家。俄尔苏斯并未费心回复，但他将开普勒的赞美从信中摘了出来，并将它作为对其工作的某种支持刊印出来——他的工作正好就是对第谷持批评态度的。开普勒写了很多圆滑的信才平复了第谷深受冒犯之感，并与这位伟大的天文学家重归于好。开普勒日益渴望有机会弄到第谷在当时已名声在外的丰富的观测数据，并利用这些行星运动的精确数字来检验他关于行星轨道的观点。
在此期间，施蒂里亚的政治形势恶化了。1596年12月，一位虔诚的天主教徒费迪南大公（Archduke Ferdinand）成为施蒂里亚的统治者。起初，他更多是按照合他心意的方式缓慢进行改革（或者说反对改革），但几个月后，由于对有利于天主教徒的税务改革以及其他“改革”感到失望，这个新教社区提交了一份正式的抗议书，抗议他们在新政府下所遭遇的对待。这是个大错误——很可能这就是费迪南大公一直试图要激起的反应，这样他就可以把新教徒说成是不守规矩的闹事者。1598年春出访意大利时，费迪南大公拜会了教皇并访问了宗教圣地，回来以后他决定彻底清除新教在施蒂里亚的影响。9月，一项敕令发布出来，命令所有的新教教师与神学家在两周内离开该国或者皈依天主教。除了遵从之外别无选择，开普勒也在众多被驱逐而到邻国避难的路德派教徒之列——但是大多数人都心存希望认为他们会被准许回来，因此而将妻子和家人留了下来。不过，在来自格拉茨的所有避难人员中，只有开普勒一人在一个月内被准许返回，其原因并不完全清楚，但可能很大程度上要归因于他作为数学家的日益上升的地位。毕竟，除了他的教职之外，他是该区数学家，这个职位要求其担任者居住在格拉茨（虽然费迪南大公也可以简单地开除他而委任其他人来担任地区数学家）。但开普勒此时不得不生活于其中的环境之严苛已由这一事实凸显出来：由于他年幼的女儿去世，而他回避参加临终圣礼仪式，他未被允许将婴儿下葬，除非他为这一缺席支付罚款。
1599年，当格拉茨的形势开始变得让开普勒不能容忍之时，第谷正在距离布拉格320千米的地方确立了他的地位，在这里，人们能够以自己的方式自由选择信仰。1600年1月，一个将改变开普勒一生的机会出现了。一个施蒂里亚贵族，即霍夫曼男爵（Baron Hoffman），对开普勒的工作印象深刻，并且很喜欢这位数学家，此人还是鲁道夫二世皇帝的顾问，曾见过第谷。他因宫廷事务而不得不去布拉格，他提议带上开普勒并将其引荐给第谷。结果，这两个共同奠定了科学的天文学基础的人于1600年2月4日在贝纳特基城堡首次会面。第谷此时53岁，开普勒28岁。第谷拥有最丰富的精确天文数据有待处理，但他很疲惫，很需要有人来帮他分析这些资料。开普勒则是除了他的数学才能以及想要解开宇宙之谜的一腔热情之外一无所有。这似乎是一场天作之合，但在开普勒取得那个使他成为科学史上关键人物的突破之前，仍然有障碍要去克服。
虽然开普勒这次本打算只是相当简短地拜访第谷（他将妻子和继女留在格拉茨，而且并未辞掉他在格拉茨的职位），结果却变成了长期逗留。穷困的开普勒非常需要一个正式的职位，有一份收入，这样他就可以同第谷一起工作；同样地，他还拼命想要将第谷的数据搞到手，因为第谷对于让相对陌生的人自由插手其一生的事业保持着戒心，所以只出示过很少一部分数据。第谷的众多随从人员以及将城堡改造成一座观象台而一直在进行的施工，使开普勒无论如何都难以安顿下来工作，同时，第谷的一名主要助手一直在努力求解火星轨道计算的问题，而开普勒由于提议接管这项任务（一个态度傲慢的提议，开普勒俨然是以资深数学家自居），在无意中冒犯了这名助手。开普勒意识到，第谷绝不会交给他一份数据让他能够带走并在家中进行计算，要解决这个难题的唯一办法，就是在这里待上一年或更长的时间。开普勒清楚地认识到自己的数学才能无可匹敌，于是开列了一份他如果留在城堡所要求的条件清单。开普勒把这份清单给了一位朋友，并请他与第谷周旋——但第谷拿到了这份清单，对这些在他看来是开普勒的霸王条款的条件不以为然，虽然他其实已经在与鲁道夫协商以为开普勒谋得一个正式职位。最终，第谷提出支付开普勒从格拉茨迁至此地的搬迁费用，并向他保证皇帝会很快提供一个支薪职位给他，事情至此终获圆满解决。
1600年6月，开普勒回到格拉茨去处理他在那里的私事，却没想到会面临来自城市官员的最后通牒，官员们厌烦了他长期不在此地，想要他去意大利学习以成为一名医生，从而可以成为对社区更有用的人。在开普勒有时间做出任何决定之前，宗教形势的恶化为他做出了决定。1600年夏，已经不是天主教徒的全体格拉茨市民被要求立即改变他们的信仰。61位名人拒绝此举，开普勒也在其中。8月2日，他被解除了职位，并且像其他60个人一样被要求在6周半时间内离开该国，从而几乎完全失去了他所拥有的为数不多的财产。开普勒写信向他仅有的两个可靠的熟人，即麦斯特林和第谷请求帮助。第谷的回复几乎是即刻就到了，他向开普勒保证说与皇帝的协商进展顺利，并催促他应当带上家人以及他被准许携带的物品立即动身前往布拉格。
开普勒一家于10月中旬抵达这座散发着恶臭而有害健康的城市，在霍夫曼男爵提供的住所度过了冬天。就在这个冬天，开普勒和芭芭拉都发了烧，身患重病，而他们有限的钱财则迅速减少。由于仍然没有来自皇帝的任命，1601年2月，开普勒与第谷两家人搬进一个由鲁道夫为天文学家提供的新住所。他们的关系并不那么自在——开普勒不满事事依赖第谷，第谷对开普勒的不满则是因为那些在他看来是开普勒忘恩负义的行为。但最后开普勒被正式引荐给了皇帝，后者任命他为第谷的正式（且支薪的！）助手，负责编制一套新的行星位置星表，即以皇帝名字命名的鲁道夫星表。
第谷一直都不肯将他丰富的数据拿出来让开普勒自由取阅，而是在他认为开普勒需要的时候，按照他所认为的开普勒的需要，一点点地把数据拿出来，但尽管如此，开普勒的地位最后还是合法化了。这几乎不是一种亲密而友好的关系。但是，10月13日，第谷生病了。10天后，他不时地胡言乱语而且濒于死亡，有人听到他不止一次地喊着他希望他不该好像白白度过了一生。10月24日早上，他的神志清楚了。当他的小儿子、学生们以及一位来访的侍奉于波兰国王的瑞典贵族围在显然将成为他临终病榻的床前时，第谷把完成鲁道夫星表的任务，以及丰富的行星数据的负责权交给了开普勒——但是他强烈要求开普勒利用这些数据来证明第谷宇宙模型而非哥白尼模型之真实性。
第谷当时的神志的确是清楚的，因为他意识到尽管所有人都持异议，但开普勒是他的随从人员中最有能力的数学家，是最有可能让第谷的数据得到最好利用并确证他并未虚度一生的人。在将一生工作作为遗产交托给这个被惊得目瞪口呆的年轻人——几个月前还只是个一贫如洗的流亡者——之后不久，第谷就去世了。数周后，当开普勒被任命为鲁道夫二世的宫廷数学家而成为第谷的继任者、负责第谷的所有仪器以及未刊印的工作时，他必定更加目瞪口呆。这与他在德国的早期生涯大不相同。尽管他的人生仍然不会变得轻松，而且他还是会时常为从皇帝陛下那里拿到全薪而大伤脑筋，但至少开普勒终于能够去破解行星运动的难题了。
开普勒在布拉格期间的工作受到很多因素的阻碍。有持续不断的财政困难；有来自第谷继承人的干预，他们既急切想要看到鲁道夫星表以及第谷身后著作的出版（尤其是指望从书上赚到钱），又担心开普勒可能会（在他们看来）曲解第谷的数据，用来证实哥白尼体系的可靠性；还有他作为帝国数学家（即御用占星家）的职责，这要求他花很多时间来完成这个他明知愚昧的任务，对于与土耳其交战的前景、歉收、宗教骚乱的演变等问题，天上的星象是否呈现出某种征兆，他要给鲁道夫二世提供建议。此外，计算本身也很辛苦，而且还不得不反复验算以免算错——保存下来的开普勒冗长计算的残页显示了一页又一页写满了行星轨道的算术计算，这是在我们这个便携式计算器与手提电脑的时代所无法想象的工作。
毫不令人奇怪的是，由于开普勒是从日心正圆体系的概念出发并逐步背离这一概念的，因此解开火星轨道之谜花了数年时间。最初，他尝试使用一个偏心轨道（但仍是正圆轨道），这样火星就在其中一半的圆形轨道上比在另一半轨道时离太阳更近，这在某种程度上与这一发现相符，即火星在其中一半轨道（距离太阳更近的那一半轨道）上运行时速度比较快。照此思路，开普勒走出在今天看来似乎显而易见但在当时却意义极其深远的一步，即从一个位于火星上的观察者观察地球轨道的角度来进行他的某些计算——这是概念上的巨大飞跃，它预示了所有运动都是相对的这一观点。事实上，就在开普勒于1602年仍在处理他的“偏心”圆形轨道之时，他提出了后来被称为开普勒第二定律的原理——在相等时间内，太阳和运动着的行星之间假想的连线所扫过的面积是相等的。这是一种确切的表达方式，阐明了由于较短的半径必须扫过较大的角度，以使其覆盖的面积与较长的半径扫过较小角度时所覆盖的面积相同，因此当行星距离太阳较近时，其运行就得更快。只有在发现这个之后，开普勒才意识到（在试过其他可能性之后），轨道实际上是椭圆形的。由于其他工作使他分了心，开普勒于1605年才提出了现在被称为开普勒第一定律的原理，即所有行星绕日运动的轨道都呈椭圆形，而太阳位于椭圆的两个焦点中的一个焦点上（对于所有行星来说焦点都是相同的）。有了这两个定律，开普勒废除了对本轮、对点以及所有早期宇宙模型中的复杂系统的需要，其中包括他自己的正多面体相嵌的神秘思想（尽管他从不承认这一点）。
尽管有关开普勒的发现的消息散播开来，但对其观点的完整的讨论直到他的《新天文学》（ Astronomia Nova ）一书于1609年出版后才见诸报端——该书的出版因印刷问题以及资金短缺而延迟。但即使是该书的出版，也并未给他带来你也许预期会有的来自同行的某种即刻而至的好评。人们并不喜欢椭圆轨道的概念（很多人仍未接受地球不在宇宙中心的观点），只有一位精熟的数学家才可能了解，开普勒的模型并不只是另一种神秘主义的思想（就像他的正多面体或第谷的模型一样），而是稳固建立在观测事实基础之上。实际上，并不令人奇怪的是，只有当牛顿这样一位数学家运用开普勒的定律与他自己的万有引力定律一起来解释行星 如何 在椭圆轨道运行之后，开普勒才获得了在历史学家看来他所应得到的地位。确实，在他所处的时代，开普勒作为占星家的声名远甚于他作为天文学家的声名，虽然此两者之间的区别非常模糊。这在1604年发生的一件事上显得尤其突出——另一颗像木星一样明亮的“新”星在这年夏天出现，直到1606年之后仍然裸眼可见，这一事件让他从有关行星轨道的工作中分散了精力。对大多数人来说，这是一个富有戏剧性的占星术意义的事件，而身为御用数学家的开普勒也不得不去解释它的意义，此乃其职责之一。尽管开普勒在呈送给皇帝的报告中明智地对该事件的意义含糊其词，但他还是冒着很大的风险在报告中暗示说，不管亮度如何，这颗星星必定与其他星星的距离一样，而且也不是发生在行星所在天层的现象。就像在他之前的第谷一样，他认为超新星削弱了亚里士多德认为恒星固定不变且永恒不朽的概念。
并不是所有令开普勒从行星研究上分神的事都缺少科学意义。也是在1604年，他出版了一本有关光学的书，分析了眼睛的工作方式，即通过折射进入瞳孔的光线被聚焦在视网膜上，这样，来自一个发光物体上某一点的所有光线都会被聚焦在位于视网膜的一个点上。他随后运用这一观点解释说，某些人的视力很糟糕（显然是一个他最关心的问题），是因为眼睛中的缺陷导致光线要么被聚焦在位于视网膜之前的某个点上，要么这个点就位于视网膜之后——他随后还描述了眼镜是如何矫正这一缺陷的，这是此前没有人了解的事，尽管眼镜已经基于经验而被使用了超过300年之久。在伽利略将望远镜应用到天文学上以及他的新发现散播开来以后，开普勒也将其光学思想用于解释望远镜的工作原理。他的科学兴趣可能是非常务实的，而非仅仅关心天球。
在超新星出现之后的几年中，由于敌对的宗教团体组成了政治同盟——该同盟后来卷入了“三十年战争”，欧洲中部经历了政治与宗教形势的恶化。除了对开普勒余生的影响之外，这一权力之争在科学史上意义深远，因为欧洲中部的动荡，连同天主教会对伽利略学说的压制，至少是促使科学观念的发展在这一地区受到阻碍，同时也确保开普勒撒下的种子在英格兰全面开花。英格兰尽管有内战发生，但却有着更为稳定的学术环境，像牛顿这样的人可以在此工作。
1608年，几个新教国家联合起来组成了新教同盟，而他们的反对者则于次年组成了天主教同盟。鲁道夫如今过着半隐居生活，着迷于他的艺术珍品，而且行为显然非常古怪——假如他并未完全疯掉的话。甚至在和平时期，他（在到彼时为止实际统治过这个由众多公国组成的联合体的所有皇帝中）也并不适合有效地统治神圣罗马帝国，他曾经花光了所有的钱财，而权力也逐渐旁落到他的弟弟马蒂亚斯（Matthias）手中，后者于1612年鲁道夫死后成为皇帝。开普勒很长时间以来都在观察着事态走向，并在他昔日的大学，即蒂宾根大学寻觅一个职位，但因为他异端的宗教信仰，他被拒之一旁。与此同时，他的家里也出了麻烦。1611年，芭芭拉患了癫痫，而他们3个孩子中的一个死于天花。因为急于在政治全面崩溃之前从布拉格脱身，开普勒来到了林茨，他在这里申请了一个地区数学家的工作并于6月被接受。但是在匆忙赶回布拉格以安排搬家事宜时，他发现妻子再次患了重病。在他返回几天后，她死于斑疹伤寒。由于情绪消沉而又对未来全无把握，开普勒在布拉格一直逗留到鲁道夫去世，其时出乎他意料的是，马蒂亚斯批准任命他为宫廷数学家，并提供给他一份年薪（这可不是开普勒常常能碰到的事儿），但准许他前往林茨并同时担任那里的职位。在将他幸存于世的几个孩子暂时交给朋友之后，年仅40岁的开普勒再次踏上了旅程。
不过即使在林茨，他的麻烦也还是接连不断。此地处于施蒂里亚辖下，被牢牢控制在极端正统路德派教会手中；大主教是蒂宾根人，他听说过开普勒的非主流观点并拒绝允许他领受圣餐，这对于极其虔诚（尽管是以他自己的方式）的开普勒来说是其深深的苦恼之源。向教会当局再三申诉无济于事，却占用了开普勒本来可以花在行星研究上的时间。他还有地区数学家的职责，而且他不久又再次结婚，娶了一个24岁的女子，后者给他生了6个孩子，其中3个还在婴儿期便夭折了。开普勒还被卷入了另类的宗教工作，利用希律王时代记录的一次月食来证明耶稣实际上生于公元前5年。他还参与了历法改革［教皇格里高利十三世（Gregory ⅩⅢ）直到1582年才引入了现代历法，而新教统治下的欧洲国家很多都并不愿意做此改变］。不过最让他分心的事发生在1615年之后的几年，其时，开普勒的母亲被指控行巫术。从当时的背景可以看出此事的严重程度，是年，在她所居住的城市莱昂贝格，6名所谓女巫被烧死。这一形势是开普勒无法置若罔闻的
，在随后几年中，他一再造访莱昂贝格，并在审判的威胁笼罩着她时，代表她向当局进行了旷日持久的申诉。到了1620年8月，这位老妇人才最终被逮捕并受到监禁。尽管她在那年的晚些时候受审，但法官发现要给她定罪的话证据并不充分，却足够使人对她产生怀疑。她一直被关到1621年10月，彼时人们认为她已经吃足了苦头可以被释放了。6个月后，她去世了。
从这些特别的麻烦事儿以及终其一生纷扰不断的个人生活来说，开普勒最后的伟大著作之一取名《宇宙谐和论》（ Harmonice Mundi ）真是一件讽刺的事，不过，它当然指的是行星的世界，而不是纷扰不堪的地球。正是在这本书（主要是一部没有科学意义的神秘之作）中，他记述了他在1618年3月8日是如何想到那个后来被称为开普勒第三定律的思想，而这个思想又是如何在那年晚些时候完成的。该定律将某一行星绕日运行一周的时间（也就是行星的周期或周年）与它同太阳的距离以一种非常精确的方式建立了关系，从而将哥白尼已经发现了的普遍模式予以量化。该定律称，任意两颗行星周期的平方与它们同太阳的距离的3次方成比例。例如（使用现代的测量结果），火星到太阳的距离是地日距离的1.52倍，而1.52的3次方是3.51。但火星“年”的时间长度是地球一年时间长度的1.88倍，而1.88的平方是3.53（由于我将两个数字四舍五入保留两位小数，它们并不非常符合）。
《宇宙谐和论》于1619年出版，此时，“三十年战争”正值高潮。由于战争以及他的母亲因行巫术而受到审判所带来的麻烦，开普勒在这一时期前后出版的另一部重要著作，即《哥白尼天文学概要》（ Epitome of Copernican Astronomy ）以3卷本分别于1618年、1620年和1621年出版。这本更为通俗易懂的书既为哥白尼的日心宇宙大胆地提供了事实依据，也将开普勒的思想带给了更广泛的读者，从某种意义上来说，这本书也代表了他对于天文学的伟大贡献的终结。但还有一件未完成的托付有待解决。很大程度上是由于英国的纳皮尔（John Napier，1550—1617）发明的对数——它于当时出版并且为开普勒大大减轻了算术运算的负担，《鲁道夫星表》最终于1627年发表（由于战争、暴乱以及林茨遭到的一次围攻而延迟发表），开普勒对神圣罗马帝国的义务至此完成。该星表使得行星位置的计算有可能做到比哥白尼编订的星表精确30倍，并且一直是连续几代使用的标准。它们的价值在1631年得到凸显，其时，法国天文学家伽桑狄观测了一次水星凌日（水星从太阳前经过），它已由开普勒运用这个新的星表做出了预测。这是首次被观测到的水星凌日。
出版并不是开普勒唯一因战争而中断的事业。1619年，费迪南二世（Ferdinand Ⅱ）在马蒂亚斯去世后成为皇帝，这位热诚的天主教徒正是那个曾给开普勒在施蒂里亚的早期岁月带来了许多麻烦的人。在林茨，开普勒曾由于不够正统而受到其所在的路德教派迫害，而在1625年之后，在费迪南治下的变化了的政治形势让天主教在整个奥地利占据了统治地位，此时，他又由于是路德派教徒而受到迫害。他不再有任何希望能保留他在宫廷的职位，除非他皈依天主教，而这更是他不会考虑的（虽然就个人而言，费迪南似乎对开普勒很有好感，而且，即便开普勒只是嘴上说说会皈依，他也将会很乐于让开普勒回到布拉格）。1628年，开普勒设法得到了华伦斯坦公爵（Duke of Wallenstein）身边的一个职位，这位公爵对各种形式的宗教崇拜都很宽容（倘若他们是基督教徒的话），而且如果没有咨询过他的占星家，他就决不会有任何行动。从他在布拉格的时候，他就知道开普勒，那时开普勒曾占过一个星相命盘，在这位公爵看来那个星相命盘预言得非常精准。华伦斯坦看来是一个理想的赞助人和保护人，也是一个很有权势的人，他的身份包括费迪南军队的指挥官。
开普勒一家于1628年7月抵达萨冈地区的西里西亚，开始了他们的新生活。这个新工作最好的地方就是开普勒得到了定期支薪。最不寻常的是他有时间去完成最早的科幻作品之一《月亮之梦》（ Dream of the Moon ）。最不幸的是，在他抵达后不久，华伦斯坦公爵决定支持反宗教改革运动，以讨好皇帝，尽管作为公爵雇员的开普勒被免除了新颁布的法律所规定的义务，但他又一次看到他的新教邻居破产并在恐惧中生活。不管怎样努力取悦皇帝，华伦斯坦还是在1630年夏失宠，其军队指挥官的重要职位也被解除。再一次地，开普勒的未来显得未知不定，而且预料到要再次搬家并需要动用他所有的资源。有一段时间，他一直试图拿到在林茨时就属于他的钱财，他还被叫去与那里的权威人士们开会以解决此事。10月，他从萨冈动身以如期赴会（11月11日），花了很长时间并经过莱比锡、纽伦堡，他于11月2日抵达雷根斯堡。在那里，他患了感冒并因此卧床。1630年11月15日，距离其59岁生日还有几周之时，开普勒去世了。他是属于他那个时代的人，在过去时代的神秘主义（这甚至为他本人有关宇宙的思考增添了色彩）与未来的逻辑科学之间保持着平衡，但他作为理性代言人的声望在他所处时代中显得最为异乎寻常，就在那个世界里，国王与皇帝仍然要依赖于占星家的预言，而他自己的母亲则因巫术而受审。也就在开普勒进行他的伟大工作的同一时期，一个更加强有力的科学理性的声音从意大利南部响起，尽管那里的迷信与宗教迫害并不比欧洲中部少，但至少在某种程度上是稳定的，且迫害一直都来自同一个教会。