哥白尼提出的日心说，推翻了长期以来居于宗教统治地位的地心说，实现了天文学的根本变革。日心说，也称为地动说，是关于天体运动的和地心说相对立的学说，它认为太阳是宇宙的中心，而不是地球。

日心说的内容

日心说认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕太阳转动，地球不是宇宙的中心，而是一颗普通行星。地心说中表现出的行星围绕地球运动的一年周期，其实是地球每年绕太阳公转一周的反映。哥白尼的日心说体系的另一些内容是：

(1)．水星、金星、火星、木星、土星和地球一样，都在圆形轨道上匀速率地绕着太阳公转。

(2)．月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上每月绕地球转一周，并随地球绕太阳公转。

(3)．地球每天自转一周，天穹实际上不转动，只是由于地球的自转才是我们看到了日月星辰每天东升西落的现象。

(4)．恒星和太阳间的距离十分遥远，比日地间的距离要大得多。

哥白尼曾列举了许多主张地球自转和行星绕太阳公转的古代学者名字，他发扬了这些学者的思想，竭尽毕生精力，经过艰辛的观测和数学计算，以严格的科学论据建立了日心体系。后来的观测事实不断证实并发展了这一学说。当然，限于当时的科技水平，哥白尼的日心说也有一些局限和错误，例如：

(1)．认为太阳是宇宙的中心，实际上，太阳只是太阳系的一个中心天体；

(2)．沿用了行星在圆轨道作匀速圆周运动的旧观念，实际上行星的轨道是椭圆，运动速度的大小也并不是恒定的。

16世纪哥白尼提出的日心说虽然仍末超出太阳系的局限，但却把地球从居于宇宙中心的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况。这不仅直接为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，而且从根本上动摇了人类中心论等宗教教义不可冒犯的神话。它作为自然科学的“独立宣言”，第一次让宇宙的阐述从神学的桎梏下解放出来，在人类的思想发展史以至社会发展史上做出了不可磨灭的贡献。由于当时正处于人类历史上最黑暗的中世纪，所以哥白尼的学说久久得不到合理的使用与宣传，有一个人就曾经为了宣传哥白尼的日心说，而被黑暗的宗教势力活活烧死在罗马的广场上，这个人就是伟大的科学先行者布鲁诺。

日心说的发现

在欧洲中世纪封建教会的黑暗统治下，天文学的发展被宗教神学信奉的“地球中心说”所禁烟。人们不敢越雷池一步。伟大的波兰天文学家哥白尼（1473～1543）用他的天才著作《天体运行论》打破了传统的“地球中心说”，提出了“太阳中。必说”，向西方一千多年来被神学家歪曲的宇宙观念提出挑战，使天文学从神学的禁锢中解放出来，从而引起了整个自然科学的革命。

然而，由于哥白尼当时天体观测仪器和技术手段简陋落后，观测条件差，《天体运行论》中的“日心说”是哥白尼对天体观测长达30余年，根据大量天文观测数据论证出来的。这就使得《天体运行论》不是一种易于流行的通俗书籍，让那些文化低、非专业性的普通群众读起来艰涩难懂；况且哥白尼本人深知“日心说”与基督教义格格不入，在书中论述自己的观点时也多采用学者推理和假设论证方式。这又使“日心说”难于为当时的读者迅速肯定、理解和掌握，让教会更易向不明天文真理的人们宣布“日以说”为异端邪说。

所以说，哥白尼是通过学者式天文观测从理论上否定“地球中心说”的第一人，但并非是运用天体直接观测手段来否定亚里士多德、托勒密“宇宙不变”僵化理论的开创者。这方面的开创者应该是16世纪的两位科学家。一位是天文学家第谷，一位是大科学家伽利略。由于这两位科学家宇宙观不同，对各自偶然观测到的天文新发现认识不同，因而所导致的个入命运和当时的科学意义也就不同。

第谷（1546～1601）是丹麦天文学家，他同杰出的意大利天文学家、科学事业的殉道者布鲁诺（1548～1600）生年几乎相近；创立行星运动三大定律的开普勒是他天文学研究的助手，然而他不同于布鲁诺和开普勒的宇宙观，是一个“地心说”者。他长于观测，30年如一日，准确地测定出诸多行星的位置，为天文学发展和开普勒创立三大定律提供了大量证据资料。有一年的11月11日，半夜时分，第谷从屋里走出来，发现仙后座有一颗星星是突然出现的，他为发现了新星高兴的跳起来。过去一向认为永远不变的星星世界，居然有新星出现了，而且一夜比一夜亮起来，它的光芒快赶上木星了。这颗星星出现长达16个月，后来暗淡下去直至完全消失。在这一年零四个月的夜晚中，第谷一次不缺地仔细观察它，并详细记录它的色泽、光度及各种变化。

伽利略的论证

然而并非纯粹天文学家的伽利略同第谷正好相反，他很早就相信哥白尼的日心说。1604年，他在一次讲演中说，地球不是宇宙的中心，而不过是围绕太阳转的一点微尘。他时刻不忘哥白尼的理论，希望能用实践将它证实。

如同聂文涛所论述的一样，伽利略是通过数学逻辑相信哥白尼。这一点与布鲁诺没有区别。同时，伽利略发明了天文望远镜，一定程度证明了哥白尼的正确。但是，在罗马宗教事务所组织的学术讨论中，伽利略没有战胜自己的对手，导致了最后的悲剧：

当时“地球绕太阳”和“太阳绕地球”都有科学证据，而伽里略学说的破绽之一，是科学家探测不到“斗转星移”（Stellar Parallax）的现象。什么是斗转星移呢？这名堂十分吓人，其实意思很简单。如图一显示，假设星星 A 和星星 B 悬浮在太空中，我在地球表面之观察点 1 仰望星星 A 和星星 B 时，它们的距离好象十分接近，如果地球自转，即使我站在原地不动，我将会随着地球移动而去了观察点 2 ，由观察点 2 看同样两颗星星，它们的相对位置便会改变，由角度 Y 比角度 X 大就可以知道。换言之，如果发现有斗转星移的现象，那么地球转动就可以成立；假若没有斗转星移，地球应该是在固定地方。十六世 纪时天文学家泰高．巴希（Tycho Brahe）以当时最精密的仪器，去探测是否有“斗转星移”，可是看来群星的相对位置和距离好象没有改变，因此地球转动之说不被接纳。 

但是，伽利略指导数学原则的价值。他始终相信日心说。

由于第谷是用肉眼进行观察的，他的这次发现新星较之后来的伽利略运用望远镜发现木星的卫星更加偶然。但是第谷并没有赋予这次十分珍贵的偶然发现以应有的重大意义，从而否定亚里士多德天体完善无缺永远不变的学说。这确实应是第谷信奉传统宇宙观的遗憾。

1608年6月的一天，伽利略听说一个荷兰人把一片凸镜和一片凹镜放在一起，做了一个玩具，可以把看见的东西放大。于是，咖利略自己动手做了一个，可以将原物体放大3倍。伽利略没有满足，他反复琢磨，不断改进，最后他的望远镜可以将原物放大32倍。

这以后，伽利略几乎每天晚上都把自己的望远镜对向天空，探索宇宙的奥秘。他发现，银河是由许多小星星汇聚而成的；他还发现，太阳里面有黑点，这些黑点的位置不断地变动。因此，他断定太阳本身也在自转。

1610年1月7日至12日晚上，他发现木星周围的4个小星星位置有了变化，因此他断定木星有4个“小月亮”。

这样一米，亚里士多德的“天体完整无缺”论，完全被伽利略的望远镜所打破。但维护神学的卫道士们昧着良心说：“伽利略说谎，以魔术欺骗人。”

伽利略不懈地观察，从不管这些诬蔑。他以无可辩驳的实际观测，生动说明了地球在围着太阳转，而太阳不过是一个普通的恒星，从而有力地证明了哥白尼学说的正确。

1610年，伽利略的著作《星空使者》出版了。人们惊讶地说：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。

伽利略到处宣扬他在空中发现的新宇宙，相信的人越来越多。这引起了教会势力的极大恐慌，宗教裁判所发出禁令，不许伽利略宣传他的学说，也禁止出售他的书。

1615年，教皇向伽利略发出警告；第二年，又宣布哥白尼的著作是禁书，不许伽利略再宣传这种“邪说”。咖利略默默工作了九年，偷偷地著书立说。他写了一本叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的书，科学地论证了哥白尼学说的正确性，批判了托勒密的地球中心说。

书一出版，立即受到教会的攻击，被列为禁书。1633年，70岁的伽利略被传到罗马。教皇命令，将他囚禁起来，等候异端裁判所的审问。异端裁判所一次又一次地审问他，妄图逼迫他悔改。但伽利略认为，自己没有什么可悔改的。他坚定地说：“悔改，要我悔改什么？难道我能将真理隐藏起来吗？”于是，伽利略被判为终身监禁，一直到1642年离开人世。

可以说，伽利略运用望远镜的意外天文发现，使他的科学生命放射出他一生中最辉煌的光芒。

日心说的历史

通常认为完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出的，实际上在公元前300多年的赫拉克里特和阿里斯塔克就已经提到过太阳是宇宙的中心，地球围绕太阳运动。

坚实的大地是运动的这一点在古代是令人非常难以接受的，而另一方面托勒密的地心说体系可以很好的和当时的观测数据相吻合，因此即使在《天体运行论》出版以后的半个多世纪里，日心说仍然很少受到的关注，支持者更是非常稀少。

这里必须指出的一点是，近代以来关于罗马梵蒂冈的地心说和哥白尼的日心说的斗争是被严重夸大的。布鲁诺1600年遭受的火刑，并非因为他支持日心说，而是因为他的泛神论等的宗教思想。 

事实上，直到1609年伽利略发明了天文望远镜，并以此发现了一些可以支持日心说的新的天文现象后，日心说才开始引起人们的关注。这些天文现象主要是指：木卫体系的发现直接说明了地球不是宇宙的唯一中心，金星满盈的发现也暴露了托勒密体系的错误。 

然而，由于哥白尼的日心说所得的数据和托勒密体系的数据都不能与第谷的观测相吻合，因此日心说此时仍不具优势。直至开普勒以椭圆轨道取代圆形轨道修正了日心说之后，日心说在于地心说的竞争中才取得了真正的胜利。

日心说的创立

1499年，哥白尼毕业于意大利的博洛尼亚大学，任天主教教士。他回到波兰跟叔父一起工作。其叔父，瓦茨恩罗德，使费琅堡天主教大教堂的主教。哥白尼当时住在教堂的顶楼，因此可以长期进行天文观测。

那个时候，人们相信的是1500多年前希腊科学家托勒密创立的宇宙模式。托勒密认为地球是宇宙的中心且静止不动，日、月、行星和恒星均围绕地球运动，而恒星远离地球，位于太空这个巨型球体之外。然而，经仔细观测，科学家们发现行星运行规律与托勒密的宇宙模式不吻合。

一些科学家修正了托勒密的宇宙轨道学说，在原有的轨道（或称小天体轨道）上又增加了更多的天体运行轨道。这一模式称每颗行星都沿着一个小轨道作圆周运行，而小轨道又沿着该行星的大轨道绕地球作圆周运动。几百年之后，这一模式的漏洞越来越明显。科学家们又在这个模式上增加了许多轨道，行星就这样沿着一道又一道的轨道作圆周运动。

哥白尼想用“现代”（16世纪的）技术来改进托勒密的测量结果，以期取消一些小轨道。

在长达近20年的时间里，哥白尼不辞辛劳日夜测量行星的位置，但其测量获得的结果仍然与托勒密的天体运行模式没有多少差别。

哥白尼想知道在另一个运行着的行星上观察这些行星的运行情况会是什么样的。基于这种设想，哥白尼萌发了一

个念头：假如地球在运行中，那么这些行星的运行看上去会是什么情况呢？这一设想在他脑海里变得清晰起来了。

一年里，哥白尼在不同的时间、不同的距离从地球上观察行星，每一个行星的情况都不相同，这是他意识到地球不可能位于星星轨道的中心。

经过20年的观测，哥白尼发现唯独太阳的周年变化不明显。这意味着地球和太阳的距离始终没有改变。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太阳。他立刻想到如果把太阳放在宇宙的中心位置，那么地球就该绕着太阳运行。这样他就可以取消所有的小圆轨道模式，直接让所有的已知行星围绕太阳作圆周运动。然而，人们是否能接受哥白尼提出的新的宇宙模式呢？全世界的人——尤其是权力极大的天主教会是否相信地球是宇宙中心这的人——尤其是权力极大的天主教会是否相信地球是宇宙中心这一说法呢？由于害怕教会的惩罚，哥白尼在世时不敢公开他的发现。1543年，这一发现才公诸天下。即使在那个时候，哥白尼的发现还不断受到教会、大学等机构与天文学家的蔑视和嘲笑。终于，在60年后，约翰·开普勒和伽利略·伽利雷证明了哥白尼是正确的。

哥白尼的日心说

哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写题为《短论》的论文。他规定地球有三种运动：

1一种是在地轴上的周日自转运动

2一种是环绕太阳的周年运动

3一种是用以解释二分岁差的地轴的回转运动

哥白尼在他的《天体运行论》一书中认为天体运动必须满足以下七点：

1不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心

2地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心

3所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近

4地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的

5在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的

6在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动

7人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象

哥白尼用以支持他的学说的论据，主要属于数学性质。他认为一个科学学说是从某些假说引伸出来的一组观念。他认为真正的假说或者定理必须能够做到下面两件事情：

它们必须能够说明天体所观测到的运动。

它们必须不能违背毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断。

当时有许多反对的观点，但是用当时的知识进行了反驳。

反对理由：如果地球在转动，空气就会落在后面，而形成一股持久的东风。

哥白尼答复：空气含有土微粒，和土地是同一性质，因此逼得空气要跟着地球转动。

哥白尼答复：空气转动时没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连接着的。

反对理由：一块石子向上抛去，就会被地球的转动抛在后面，而落在抛掷点的西面。

哥白尼答复：由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质，所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。

反对理由：如果地球转动，它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。

哥白尼答复：如果地球不转动，那末恒星的那些更庞大的球就必须以极大的速度转动，这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。

哥白尼答复：离心力只在非天然的人为运动中找得到，而在天然的运动中，如地球和天体的运动中，则是找不到的。

日心说的意义

哥白尼的“日心说”发表之前，“地心说”在中世纪的欧洲一直居于统治地位。自古以来，人类就对宇宙的结构不断地进行着思考，早在古希腊时代就有哲学家提出了地球在运动的主张，只是当时缺乏依据，因此没有得到人们的认可。在古代欧洲，亚里士多德和托勒密主张“地心说”，认为地球是静止不动的，其他的星体都围着地球这一宇宙中心旋转。

这个学说的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合，处于统治地位的教廷便竭力支持地心学说，把“地心说”和上帝创造世界融为一体，用来愚弄人们，维护自己的统治。因而“地心学”说被教会奉为和《圣经》一样的经典，长期居于统治地位。随着事物的不断发展，天文观测的精确度渐渐提高，人们逐渐发现了地心学说的破绽。到文艺复兴运动时期，人们发现托勒密所提出的均轮和本轮的数目竟多达八十个左右，这显然是不合理、不科学的。人们期待着能有一种科学的天体系统取代地心说。在这种历史背景下，哥白尼的地动学说应运而生了。约在1515年前，哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《浅说》的论文，他认为天体运动必须满足以下七点：不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心；地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心；所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近；地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的；在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动；人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。此外，哥白尼还描述了太阳、月球、三颗外行星(土星、木星和火星)和两颗内行星(金星、水星)的视运动。书中，哥白尼批判了托勒密的理论。科学地阐明了天体运行的现象，推翻了长期以来居于统治地位的地心说，并从根本上否定了基督教关于上帝创造一切的谬论，从而实现了天文学中的根本变革。他正确地论述了地球绕其轴心运转、月亮绕地球运转、地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实。但是他也和前人一样严重低估了太阳系的规模。他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆，这当然是错误的。他的学说里的数学运算很复杂也很不准确。但是他的书立即引起了极大的关注，驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察，其中最著名的是丹麦伟大的天文学家泰寿·勃莱荷，开普勒就是根据泰寿积累的观察资料，最终推导出了星体运行的正确规律。这是一个前所未闻的开创新纪元的学说，对于千百年来学界奉为定论的托勒密地球中心说无疑是当头一棒。虽然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心学说早1700多年，但是事实上哥白尼得到了这一盛誉。

阿里斯塔克斯只是凭借灵感做了一个猜想，并没有加以详细的讨论，因而他的学说在科学上毫无用处。哥白尼逐个解决了猜想中的数学问题后，就把它变成了有用的科学学说──一种可以用来做预测的学说，通过对天体观察结果的检验并与地球是宇宙中心的旧学说的比较，你就会发现它的重大意义。显然哥白尼的学说是人类对宇宙认识的革命，它使人们的整个世界观都发生了重大变化。但是在估价哥白尼的影响时，我们还应该注意到，天文学的应用范围不如物理学、化学和生物学那样广泛。从理论上来讲，人们即使对哥白尼学说的知识和应用一窍不通，也会造出电视机、汽车和现代化学厂之类的东西。但是不应用法拉第、麦克斯韦、拉瓦锡和牛顿的学说则是不可想象的。仅仅考虑哥白尼学说对技术的影响就会完全忽略它的真正意义。哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕。他俩又成了牛顿的主要前辈。是这两者的发现才使牛顿有能力确定运动定律和万有引力定律。哥白尼的日心宇宙体系既然是时代的产物，它就不能不受到时代的限制。反对神学的不彻底性，同时表现在哥白尼的某些观点上，他的体系是存在缺陷的。哥白尼所指的宇宙是局限在一个小的范围内的，具体来说，他的宇宙结构就是今天我们所熟知的太阳系，即以太阳为中心的天体系统。宇宙既然有它的中心，就必须有它的边界，哥白尼虽然否定了托勒玫的“九重天”，但他却保留了一层恒星天，尽管他回避了宇宙是否有限这个问题，但实际上他是相信恒星天球是宇宙的“外壳”，他仍然相信天体只能按照所谓完美的圆形轨道运动，所以哥白尼的宇宙体系，仍然包含着不动的中心天体。但是作为近代自然科学的奠基人，哥白尼的历史功绩是伟大的。确认地球不是宇宙的中心，而是行星之一，从而掀起了一场天文学上根本性的革命，是人类探求客观真理道路上的里程碑。哥白尼的伟大成就，不仅铺平了通向近代天文学的道路，而且开创了整个自然界科学向前迈进的新时代。从哥白尼时代起，脱离教会束缚的自然科学和哲学开始获得飞跃的发展。

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自然现象，地心说，哥白尼，伽利略，第谷，开普勒，牛顿