2019年9月，美国天文研究人员应用野XMM-牛顿冶天文望远镜，观测到星系GSN069有X射线周期性大爆发现象。该星系中心距离地球约2.5亿光年，其质量约为太阳40万倍。若在500年前，此正常天文学观察现象应该是个不可思议的事情。随着科学发展和社会进步，人类逐步开始应用科学仪器观察太空、了解宇宙，实现了从地心说到日心说的伟大转变，确立了日心说的真理地位。

科学发现的重要性不能单纯从应用价值角度来评判，其更加深远的认知意义在于揭示人类社会和大自然的奥秘。追求美丽、和谐与简单，这是美学的最高境界和评判标准，亦是宇宙论的最基本特征之一。正是基于这种科学理念，波兰天文学家哥白尼（NicholausCopernicus，1473-1543）在大量天文观测数据和形式逻辑推理基础上，提出了具有革命性的日心说理论。

1、托勒密地心说

1.1 古希腊宇宙观

天会塌，地会陷否钥宇宙是如何产生的钥谁主宰着星空变化钥自人类诞生之日，就对茫茫太空充满了神秘感。因看到太阳每天从东方升起向西方落去，丝毫也感觉不到大地的运动，这样自然就有了地心说。古希腊特有的唯理主义社会氛围，逐渐把日常观测数据和社会实践经验升华为逻辑知识体系。有史记载的第一位古希腊哲学家泰勒斯(Thales，约公元前625要前547)已能准确预测日食，竟用该天文现象巧妙化解了一场旷日持久的战争。宇宙(cosmos)术语是由毕达哥拉斯（Pythagoras，约公元前580要前500）所创，其原意为野和谐且有规律之体系冶。而柏拉图（Plato,公元前427要前347）则在叶蒂迈欧曳云，宇宙的本质是和谐，而和谐体系应该是完美无缺。因圆是最完美图形，故所有天体运动轨道皆应遵从圆周运动。为此他构建了同心球宇宙模型，日月五星依次在以地球为中心的固定球面上做着理想化的圆周运动。显然，其对于行星的逆行现象无法给出合理解释[1]。

为了诠释这些观察到的异常天文现象，欧多克斯（Eudoxus，约公元前408要前347）提出了新的同心球模型：日月五星的运动轨迹皆是由一系列同心球按照不同速度、绕不同轴旋转而成。他构造了3个均以地球为中心的天球，日月运动则分别由3个同心天球构成，五星则又分别由4个同心天球构成，加上最外层的恒星天，整个模型共有27个以地球为中心的同心球。为精确模拟天体运动轨迹，其追随者又对日月五星分别增加了一层天球，使得整个宇宙模型中同心球的数目达34个。该同心球宇宙模型可较好解释日月运行快慢，以及行星顺行、逆行等天文学现象，虽然构造有点复杂，亦算是一个野完美冶的和谐体系。但其却无法解释行星亮度的周期性变化。

公元前340年前后，形式逻辑体系鼻祖亚里士多德（Aristotle，公元前384要前322）开创了天文学新局面，提出水晶球宇宙体系。他修正了恩师柏拉图同心球体系中天体排列次序，调整了太阳与内行星（水星和金星）位置，在地球外，依次为：月、水、金、日、火、木、土和恒星天。

在其宏著叶论天曳中，亚里士多德列举数条论据，较详尽论证了野地球是个绝对静止不动球体冶的观点。并举证到，如若地球是运动的，就会有野恒星视差冶现象；从高处坠落的物体就不应是其垂直投影点等。鉴此给出了其宇宙观两个基本命题：（1）地球是宇宙的中心，是绝对静止的；（2）所有天球轨迹皆为完美的圆周运动。此乃地心说的最基本信条。亚里士多德的形式逻辑理论成为后人演绎推理的基本理念，而这两个天文学命题，则成为后世天文学家所恪守的基本规则。

1.2 托勒密的本轮-均论体系

为诠释行星明暗现象，阿波罗尼奥斯（ApolloniusofPerga，约公元前262要前190）构造了野本轮-均论冶宇宙模型：行星P绕点C作圆周运动，该圆称之野本轮冶。本轮圆心C则围绕地球又作圆周运动，该圆称之野均轮冶。即行星并非仅仅围绕地球旋转，还要围绕均轮上的点作圆周运动。后最早编制弦表，且发现岁差现象的希帕科斯（Hipparchus，公元前2世纪），为解释日月视运动不均匀性现象，又提出偏心圆模型，认为地球可能并不是处在太阳运动轨道的中心。

古希腊数理天文学基本上只重视构建宇宙模型，不太关注天体运动的计算精度，因而尚不具备历法意义的实用价值[2]。直到公元150年，托勒密（Ptolemy,100要170）不仅对宇宙模型做了根本性改变，同时注重了天体运动计算精度。其叶天文学大成曳可谓是当时的天文学百科全书，所产生的影响极为深远。托勒密构造了一种新的本轮-均论模型。利用其所构建的计算方法，与当时天文观测数据相吻合。他把均轮设计成偏心圆，以圆心O为中心，经过计算巧妙选定一个与地球E相对称点E爷。本轮圆心C围绕对应点E爷作匀角速度运动。

托勒密所构造新本轮-均轮模型，实为所有天球运动提供了一个较为系统完整、精确统一的宇宙模型，被后人沿用了近千年。虽然，托勒密宇宙模型在实际应用方面优于以往模型，但其本轮圆心C是围绕着地球对应点E爷作均匀角速度运动，而不是绕均轮圆心O作均匀线速度运动。随着全球航海业的不断发展和完善，对精确天文历表的需求变得日益迫切起来。但被用于编制数据表的托勒密相关天文理论却越来越繁，加之天文观测数据的不断增加和一些新的发现，天文学家只好费尽心机来解释天文学现象，所需本轮和均轮数目亦在不断增加，最终竟然达到了100余个。

2、哥白尼的日心说

2.1 日心说的提出

尽管地心说占据着天文学的绝对统治地位，但也难以遮掩日心说的曙光。早在公元前3世纪，古希腊学者阿里斯塔克（Aristarchus，公元前320要前250）就提出，太阳位于宇宙中心，地球则围绕着太阳旋转。阿基米德（Archimedes，公元前287要前212）也认为太阳是宇宙的中心，并给出相应论证。达窑芬奇（LeonardodaVinci，1452要1519）曾通过数学计算刻画天体的运行规律。他认为地球是围绕太阳旋转的行星之一，而太阳则是位于宇宙中心，并处于静止状态。从地心说到日心说的伟大转折应归功于哥白尼，其叶天体运行论曳拉开了近代天文学序幕，极大推进了近现代科学的发展[3]。

虽然任职于教会，并到意大利学习神学，但哥白尼自幼对天空充满了好奇，曾私下学习天文学。据记载其第一次天文观测是在1497年3月9日。最初他试图通过天文观察来理解和诠释托勒密地心说理论。1513年3月31日，他在所任职教堂建成了一座小型天文观测台，并设计出3架较为精密的天文仪器。突破主观直觉臆想，用观察数据和科学事实来说话，这是揭示真理的第一步。

通过大量天文观察数据和一些天文现象，哥白尼开始质疑亚里士多德宇宙论，而据托勒密宇宙模型也无法对一些天文现象给出合理解释。若是继续修补托勒密的地心说模型，只会让宇宙结构学说更加繁杂。是否古希腊先贤的天文理论有误钥地球是运动的还是静止的钥宇宙中心在哪里钥当他尝试着把太阳确定为宇宙中心，大量天文现象都能得到合理的科学解释，而且宇宙模型也变得简洁起来，再也不需要那么多所谓的本轮和均轮。科学是追求完美的，宇宙也不例外浴故他打破了传统天文学理论，而声称：宇宙中心实际上应是太阳，地球根本不是宇宙中心。我们人类居住的地球犹如其他任何行星一样，都在围绕着太阳旋转。

后在大量天文数据支撑下，哥白尼构造出日心说宇宙模型。并于1514年完成了其第一部天文学著作手稿。为让教会职员理解其新天文学思想，他将此书稿呈献给教皇保罗三世，后者当时也未提出异议。1533年哥白尼曾在罗马做了一系列演讲，提出了其日心说理论，当时也未遭到教会的反对。因担心其天文学思想与宗教教义相悖，哥白尼迟迟没有出版其著作。1543年叶天体运行论曳付梓之际，哥白尼已到弥留之际，只能用颤抖之手抚摸了一下书籍。该书直到1616年，才被教会宣布为禁书。哥白尼的日心说要义为：（1）地球不是宇宙中心，而是月球运行的中心；（2）地球绕其轴自转，并带动周围天体绕其不动极点作周日运动；（3）所有天球皆围绕着太阳旋转，故太阳是宇宙中心；（4）太阳的视运动是因地球和其他天球的运动而产生；（5）行星的视运动和逆行，是由于地球的运动而产生；（6）日地距离和天穹高度之比远远小于地球半径和日地距离之比。

在托勒密地心说处于天文学统治地位的社会大背景下，在没有天文望远镜的裸眼时代，哥白尼能够提出日心说理论，实属是一个伟大的天文学创举。然而，他并未全盘否定地心说，甚至还可以说他忠实于亚里士多德天体运动统一圆周运动理想，正是在地心说基础上，才提出了日心说理论。如地球既然是个球形，故其自转与公转运动也应是圆运动。若承认地球的圆运动，则周日运动亦应如此等。其创新之处就在于，行星不规则运动再也不必应用数目繁多的本、均论相关体系来说明。

2.2 两个重要天文现象之诠释

哥白尼日心说宇宙模型不仅简洁优美，而且能够从理论上清楚诠释所有天文现象，这是托勒密地心说无法比拟的。从以下两个简单且重要的天文学现象诠释可见一斑[4]。

问题1行星为何有逆行现象钥

据地心说宇宙模型，虽可演示行星逆行现象，但却无法合理诠释之。而在日心说宇宙模型中，假设地球与行星均围绕太阳旋转，小圆为地球轨道，大圆为行星轨道，则有小圆轨道运动周期小于大圆轨道周期。从外侧来看，则是我们从地球上所看到的行星运动轨迹。不妨选择几个点来做天文观察，虽然貌似在一些天文观察点，的确看到行星野逆行冶了。然而这是地球与行星围绕太阳旋转的相对运动之缘故，主要原因是地球轨道周期小于行星轨道周期，而实际上行星自身并未有野逆行冶的异常天文现象。这正是有了地球的运动，才有了地球和行星的相对运动。否则，若地球是静止不动，这个问题就费解了。故再次表明，眼见不一定为实，真理需要检验。我们需要多加思考，需要借助天文仪器来观察神秘的太空。

问题2外行星本轮向径为何始终平行日地连线钥

应用托勒密地心说宇宙模型，则外行星本轮上向径始终平行于日地连线，却难以自圆其说。而据哥白尼日心说，则可给予合理解释。从地球上来看，行星P总是在向量EP所指方向。若从地球上观察行星，最重要的是观测角（图1中蚁PEC），而不是距离，故可沿着EP方向，把行星P向外平行移动，这样就拓展了吟PEC，所得大三角形与原小三角形相似。若使CP=ES，则四边形SECP就是一个平行四边形。按照日心说理论，太阳S、地球E、外行星P构成一个吟SEP（图1下），假设太阳与行星不动，我们由点E作一条平行且等于线段SP的线段EC，则当点E绕着S旋转一周，相应点C轨迹亦是一个圆，即绕着行星P的虚线圆。图1上图为地心说模型，下图为日心说模型。易见，两图中的线段EC和线段SP平行且相等，据平行四边形全等判定定理，故有两个平行四边形SECP全等。据平行四边形性质，就得到行星本轮向径CP，必平行于地日连线ES[5]。

2.3 三个日心说天文现象分析

日心说的真理地位，直到牛顿时代才被完全确立下来。故日心说提出之初，并未得到社会承认，尚需进一步的科学观察数据和理论支撑。实验科学创始人伽利略（GalileoGalilei，1564要1642）发明了天文学望远镜，为天文学提供了先进观测工具，同时为日心说提供了有力的实验验证和实验数据。行星的位相。月亮有圆有缺，这是天文学常识。对于地心说而言，因太阳和行星处于运动之中，而地球是静止不动的，故而不应发生行星位相变化。然而，按照日心说理论，相对于太阳这个发光体的运动，水星和金星均应有位相的周期性变化。限于当时的天文观测条件，哥白尼未能观测到行星的位相变化。直到1610年，伽利略应用天文望远镜终于观测到了金星位相的周期性变化，这就从某种意义上，肯定了日心说理论。行星的卫星。地心说与叶圣经曳描绘宇宙图景可谓一致，其中不仅有至高无上的上帝与虚无缥缈的天堂位置，更有等级森严的排列秩序和理论体系，因而罗马教廷赋予地心说绝对真理地位。地球至高无上的地位被当时教会极度崇拜，故对哥白尼日心说的最大质疑就是，为何地球与其他行星不同，而拥有月亮作为卫星。而当伽利略发现木星也有卫星之后，该疑问立刻冰释，原来行星拥有卫星并非地球的独特现象[6]。当时，绝大多数宗教人员认为，哥白尼日心体系在预言天体位置时具有很高的精确度和应用价值。但存疑的是，哥白尼是否描述了真实宇宙体系钥如何证明地球是以很高速度绕着太阳运转。恒星的视差。地球运动与否，亚里士多德曾作了一番逻辑推断，若地球绕着太阳旋转，则将会出现恒星的周年视差。因他未能观察到恒星视差，故而给出了地球静止不动的假说。假设X为一颗恒星，当地球从点A围绕太阳S运动到点B，则从A点、B点观测恒星X的角度不同，其观察角度之差为蚁AXB，此即恒星周年视差。哥白尼未能观察到恒星周年视差，他认为恒星距离地球。远，其周年视差太小难以被观测到。伽利略利用天文望远镜也未观察到。直到1838年，贝赛尔（FriedrichWilhelmBessel，1784要1846）才观测到恒星周年视差，其所测定的天鹅座61周年视差为0.31秒[7]。

3、结论

科学终极目的就是提供一个简单理论来描述或揭示宇宙客观规律。天文学家认识宇宙的第一步就是在反复天文观察、科学实验和屡次试错后，收集分析相关数据和试验结果，再从中统计归纳出自然规律性。一种新的科学理论之出现，并非因旧学说不能合理解释观察到的天文现象，而在大多数情形下，是因新理论能够以更加简洁、优美方式和较少假设来说明若干科学事实[8]。

为简化地心说理论，使其更加符合实际观测到的天文现象，哥白尼改变了近千年来占据天文学统治地位的地心说宇宙结构，让美丽太阳位于宇宙结构中心，提出地球和行星皆围绕着太阳运转的新学说。其取消了地心说的所有本均轮，让宇宙结构变得简洁优美，可简明地说明行星的各种不均匀性运动，极大简化了天文学宇宙模型。哥白尼所遵从的科学文化思想，就是坚持简洁和谐的宇宙论美学基本原则[9]。

虽然与托勒密体系计算方式本质相同，但哥白尼天文学理论提高了计算精确度。所得恒星年时间为365天6小时9分40秒，与现代数据误差只有1/1000000；所得月亮到地球平均距离是地球半径的60.30倍，与现在的60.27倍相比，误差仅仅有5/10000[10]。

探索茫茫宇宙是人类永恒的追求目标。若没有哥白尼日心说的构建，就不会产生或延迟产生伽利略、开普勒（JohannesKepler，1571要1630）的相关天文理论。史料证实，西方宗教活动与科学发展有着较为复杂的相互关系，对日心说的无端否定和反对，最终实让教会陷入了极为被动的尴尬社会地位，不少神职人员难以再依靠教义来干预和阻碍科学发展。故哥白尼日心说虽仅仅是宇宙论探索的一个阶段性优秀成果，却极大推动了近现代自然科学和社会科学的发展[11]。

参考文献：

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[2]曲安京.中国数理天文学[M].北京:科学出版社,2008:308-384.

[3]唐泉,曲安京.希腊、印度、阿拉伯与中国传统视差理论比较研究[J].自然科学史研究,2008,27(2):131-150.

[4]徐传胜,周厚春.数学史讲义概要[M].北京:电子工业出版社,2011:12-13.

[5]徐传胜.圣彼得堡数学学派研究[M].北京:科学出版社,2016:30-36.

[6]徐传胜,刘靖国.莱布尼茨部分数学手稿探赜[J].西北大学学报,2018,48(5):694-699.

[7]刘鹏飞,等.中国传统数学价值观研究[M].长春:吉林出版集团股份有限公司,2019:82-83.

[8]徐传胜.数海拾贝[M].济南:山东科学技术出版社,2019:259-265.

徐传胜.从地心说到日心说的嬗变[J].临沂大学学报,2019,41(6):87-92.

基金项目院国家社科基金项目野李善兰传播西方科学历史研究冶（16XSS003）