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在漫长的中世纪，宗教神学统治着人们的精神世界，成为自然科学发展的桎梏。1543年，哥白尼出版了《天体运行论》，才使科学从神学中摆脱出来，在自然观上完全和中世纪的自然观相决裂。从此，科学的发展建立在客观的观察和实验基础之上。
《天体运行论》成书背景
在哥白尼所处的时代，托勒密的“地心说”在欧洲占统治地位。托勒密由于感觉不到地球的自转，只感觉到太阳每天从东方升起而在西方下落。这正像人们坐在大船上行驶时，往往感觉不到船在动，而只见到岸上的东西在往后移动一样。中世纪的教会把地心说加以神化，用它来作为证明上帝存在的依据。
到15、16世纪，由于航海事业的发展，需要精确地测定船只的坐标，因而大大推动了对天象的观测。随着天象资料的积累，人们提出了托勒密体系无法回答的一系列新课题。实践的发展要求天文学必须进行一次重大的改革。哥白尼正是在这样的时期诞生的。
1473年3月19日，尼古拉·哥白尼出生在波兰维斯杜拉河畔的托伦城的一个商人家里。他十岁丧父，由他的学识渊博、思想开朗的做主教的舅父抚养。在舅父的影响下，哥白尼从小酷爱自然科学。1491年，哥白尼进入克拉科夫大学学习。这所大学以天文学和数学称著于当时的欧洲。在这所学校里，哥白尼虽然获得了医学学位，但他对天文学产生了浓厚的兴趣，花了大量的时间阅读天文学和数学著作，研究理论和实用天文学，学会了使用天文仪器进行观测。
1496年，哥白尼到意大利留学，在那里获得了博士学位。在这期间，他结识了著名天文学家诺瓦拉，他们经常在一起观察天体，讨论有关天文学的问题。诺瓦拉曾批评托勒密体系太繁琐，不符合数学的和谐。他们讨论了托勒密的《至大论》的错误以及改进托勒密体系的可能性，这都激励了哥白尼立志投身于改革天文学的研究。
1503年，哥白尼从意大利回到波兰，任牧师职务。他在教区兼作医生，热情地为贫民服务。他还利用教堂的钟楼自建土水塔，将水通过管子送到贫民家中。由于他为贫民做了很多好事，当地人民后来为他树碑纪念。在牧师工作期间，他也将许多精力倾注于天文学的研究和观测。他利用教堂城垣的箭楼建立了一个小小的天文观测台，自制了一些观测仪器，如四分仪、三角仪、等高仪等，进行了大量的观测和计算。他的计算特别精确，如他得到的恒星年的时间为365天6小时9分40秒，误差是百万分之一；他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60．3倍，同现代值60．27相比，误差只有万分之五！经过30年如一日坚持不懈的努力，哥白尼终于完成了他的天体运行体系，写出了划时代的巨著《天体运行论》。
哥白尼是一个严谨的人。事实上，《天体运行论》的初稿早在1512年就写好了，在以后的30年中，他一直不间断地观测和分析，慎之又慎地三易其稿才最后定稿。1543年5月24日，哥白尼在他病榻上，接到了刚印好的《天体运行论》第一版，他如愿以偿，用手抚摸了一下就离别了人世。
《天体运行论》第1版，由于被出版商奥西安德尔加肆意删节，几乎每一面都与原稿不同，并且还加进了一篇伪序，声言该书仅仅是提供一种计算工具，并不冒犯《圣经》或者自然界的实际。这个行为当时就遭到哥白尼的学生和朋友的谴责，他们打算撤掉那篇伪序，照手稿原样再重新出版。可不幸原稿竟“遗失”了。在湮没了三百多年之后，大部分手稿才得以发现，并于1873年重新出版，而有些散失和被删节的内容，直到1953年《天体运行论》第四版时才补上。
寻找造物主创造的美好
而有秩序的宇宙机构
哥白尼并不是一个想要推翻全部传统天文学观念的革新派，而是一个抱有真纯无瑕的正统信仰的人。从公元前2世纪起，人们就用托勒密的地心说理论来描述天体的运行。托勒密的主要著作叫《天文集》，共13卷，其主要内容就是阐述地球是宇宙的中心，静止不动，而太阳、月亮、众星绕地运动。对于当时有人提出的地球运动的思想，托勒密不得不承认这种思想的合理性：“从星空宇宙现象上来看，对于这种思想的简单性，没有什么可以提出反对的。”但他却用自己设想的所谓“力学原理”去非难地球运动的理论：“假定地球带着其他所有生物共同运动，那么很显然地，由于自己的重量大，它一定超越其他重物的前面而把所有生物和其他在空中没有任何支撑的重物一齐抛掉，最后它自己也会很快地从天上掉下来。”托勒密是从亚里士多德“一切重物都趋向中心”的僵硬教条出发，把地球作为宇宙的中心，固定不动，并加以系统化的说明。托勒密采用了阿波罗尼乌斯的本轮和均轮体系，也采用了尹巴谷的偏心圆、等距偏心点等概念，出色地表现了各行星在天球上运行情况。托勒密认为，日、月、五大行星都是绕地球在偏心圆轨道上运转的，并各有其轨道层次。（如图4—1所示）
图4—1托勒密地心体系示意图在图中的七个轨道圈层中，太阳和月亮是直接绕地球运转的。而水、金、火、木、土五大行星则都有其“本轮”轨道，这五个本轮的中心又按各自的轨道绕地球运转，本轮中心的轨道称为“均轮”。托勒密的模型恰恰论证了基督教教义——上帝在第六天创造了人，人在宇宙中占据着突出的中心位置，即宇宙的中心。但这是个极复杂的体系。
从经院哲学的立场来看，这个极复杂的体系显然背离了被奉为经典而不能违背的亚里士多德物理学体系。在那个体系中，宇宙体系被描述为同心球。哥白尼希望能用新的方法解决这个矛盾。他抱着真诚的正统信仰，从对旧理论不能始终遵循确定的原则，因而无法推断宇宙的形状及其各部分永恒的对称性的质疑与批判，开始了他的探索。他认为可观察的世界，应是上帝意志活动的象征；从表观上错综混乱的现象背后找到对称和秩序，便是对上帝意志的一个证明，是对上帝的尊敬。在《天体运行论》的序言中他写道：“我对传统数学在研究各个天体运动中的可疑之处思索了很长时间之后，对于哲学家们不能对造物主为我们造成的美好而有秩序的宇宙机构提出正确的理论而感到气愤，……”为了找到解决这一矛盾的途径，“我不辞辛苦地重读了我所能得到的哲学著作，看看在各天球运动方面有没有跟数学派不同的假说。结果，在西塞罗的著作中发现了海西塔斯逼真地描写过地球的运动，后来又在普鲁塔尔赫的著作中看到还有别的人也赞成与之类似的见解……这就启发了我也开始考虑地球的运动。”
日心说
《天体运行论》共分六卷。第一卷简要介绍了日心学说的基本观点，是全书的总纲。论述了地球的运动、各星球轨道的位置、宇宙的总体结构，论证了为什么地球也是一个行星，并解释了四季循环的原因，回答了对地动说的种种责难。第二卷介绍数学原理，运用球面三角运算来说明天体的视运动。第三卷讨论地球绕太阳的运动。第四卷讨论月亮绕地球的运行。第五卷讨论五大行星的运动，并着重论述地球运行如何影响着诸行星在经向的视运动，以及如何使所有这些现象具有准确而必然的规则。第六卷继续论述行星运动，着重“考虑造成诸行星在纬向偏离的那些运动，示明地球运动如何支配着这些现象，并确定它们在这一领域中所遵循的法则。
哥白尼的辩证方法论 关于“地动”还是“天动”，哥白尼的思考是机智而辩证的。他认为，关于各个天体运动表观上的种种不均匀性，这是由于地球不处于它们运转的圆心，而是离宇宙中心有一段距离所致。因此“必须首先仔细地研究地球在天空中的地位，以免舍近求远，本末倒置，错误地把地球运动造成的现象当成天体运动的结果。”他指出，“如果不是假定天穹，而是地球从西向东转，那么所有严肃地思考的人就会发现，我们的结论是正确的。天穹包容万物，为什么要把运动归于包容者而不归之于被包容的东西呢？”他还根据“天比地大，其大无比”的事实进行论述：“实际上，如果庞大无比的宇宙24小时转一圈，而不是它的小小的部分——地球在转，那就太奇怪了。”他引用维尔吉尔史诗中的名句“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”作比喻而诘问道“为什么不能承认地球的完全自然的、并同自己的形状相适应的运动，而需要假定整个宇宙（它的极限是不知道的，也是不可能知道的）在转动呢？”他由此断言：“地球肯定不是行星轨道的中心。并且可以说，地球除了周日旋转外还有另一种运动。”这几段话中包含了相对运动的观点，显然，哥白尼已经意识到，运动是以某物为参照系而言的。
地球有三种运动 哥白尼指出，托勒密体系之所以繁琐，乃在于他把地球的三种运动（自转、公转和地轴的回转）都强加给每一个天体，这样每个天体都加了三个圈，因而使宇宙体系人为地复杂化了，以至于在托勒密的体系中要有80个圈。这就使一些十分聪明的人也难免要头晕目眩了。哥白尼在《天体运行论》第一卷的第十一章中，具体说明了地球的三种运动。第一种是“地球自西向东绕轴昼夜自转”。由于这种运动，使整个宇宙看起来都作沿“回归圈”的反向运动；第二种是“地心同地球上的一切物体的周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行”，由于这种运动，使太阳看起来好像在黄道上作相似的运动；第三种是“倾斜面的运动”，即赤道面或自转轴相对于日-地联线的运动，它同第二种运动合成的结果，使自转轴相对于恒星天球的方向不变，这个合成运动即现在所说的地球的公转。哥白尼认为，古人为了建立一种地球静止于宇宙中心的体系而把地球的三种运动加给了每一个天体，这使他们的宇宙体系不必要地复杂化了。哥白尼根据地球的三种运动与各个天体固有的自身运动，简单而统一地解释了从地面上观察到的天体的周日运动，太阳、月亮运动的快慢变化，行星运动中的逆行、驻留和偏南偏北的运动，二分点的岁差现象等，这不能不说是一种思维方法上的革命。
太阳系的结构 在哥白尼将转动的主体作了一个颠倒以后，他充满信心地说：“于是，从地球运动的假定出发，经过长期的、反复的观测，我终于发现：如果其他行星的运动同地球运动联系起来考虑，并按每一行星的轨道比例来作计算，那么，不仅会得出各种观测现象，而且一切星体轨道和天球之大小与顺序以及天穹本身，就全部有机地联系在一起了，以至不能变动任何一部分而不在众星和宇宙中引起混乱。”这样，哥白尼就提出了他的太阳系结构的总排列：最远的
不动的恒星天球，构成了其它天体的位置和运动的参考背景；然后由远而近依次为土星、木星、火星、地球、金星和水星，它们都画出以太阳为圆心的同心轨道；“中央就是太阳。在这华美的殿堂里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放到更好的位置上吗？太阳被称为宇宙之灯，宇宙之心，宇宙的主宰。……太阳好像是坐在王位上统率着围绕它转的行星家族。”（图4—2）
月亮是地球的卫星 哥白尼认为，所有的行星，包括地球在内，都是围绕太阳这个中心旋转的。惟独月亮是绕着地球为中心的轨道运行的。他说：“我们不能把月亮同地球分开”。哥白尼指出，地球是带着月亮一起，在其他行星轨道之间，沿一定轨道绕太阳运行的。因此哥白尼把月亮叫做地球的“卫士”或“侍从”。后来演化成为“卫星”，一直沿用到现在。
关于“原子” 在《天体运行论》第一卷中有一段直到1953年才补入的关于原子的论述。哥白尼指出，“所谓原子，是最细微的，不能再分的微粒，它们重叠地或是成倍的相聚在一起，但由于它们看不见，所以并不立即形成看得见的物体，可是它们的数量可以增加到这种程度，足够累积到可以看见的大小。”这是近代原子-分子学说产生之前为数不多的关于原子存在及其与宏观物质之间关系的珍贵论述。
关于重力 哥白尼在其巨著中强调，“我个人相信，重力不是别的，而是神圣的造物主在各个部分中所注入的一种自然意志，要使它们结合成统一的球体。我们可以假定，太阳、月亮和其他明亮的行星都有这种动力，而在其作用下它们都保持球形。”这无疑对牛顿创立万有引力定律和研究宇宙动力学问题，也是一个很重要的启示。
《天体运行论》的科学及文化意义
《天体运行论》的出版引起了轩然大波，以哥白尼的日心论观点为一方，以托勒密的地心论观点为另一方展开了长期的斗争。这不只是学术上的论争，而且也是科学和神学、唯物主义和唯心主义、辩证法和形而上学两种宇宙观和两条认识路线的斗争。许多伟大的科学家为了捍卫真理而献出了生命：布鲁诺被烧死在罗马鲜花广场；伽利略被宗教法廷宣判终生禁锢。然而现代天文学的发展不仅证明了日心说对地心说的胜利，而且早已超越了哥白尼的学说。但这一切进步，都是从哥白尼开始的。哥白尼关于地球运动的思想，是重大的划时代的科学成果，它在科学上和思想文化上的巨大革命作用表现在：
第一，哥白尼将科学认识天体运动的参考系中心由地球移到太阳，从而迈出了近代宇宙学研究中最困难同时也是最重要的一步。L．英费尔德这样评价哥白尼的功绩：“如今我们可以远远地浏览宇宙，我们不仅可以在思想上从地球移到太阳，而且也可以由太阳移到各恒星，由恒星移到我们的银河中心，由我们的银河系移到遥远的星云。……第一步是最困难的，而这第一步就是由哥白尼完成的。”
第二，哥白尼关于旋转运动是天体“固有的性质”的思想，在当时具有革命的性质。在托勒密的体系里，所谓“原动天”和“最高天”等各类天体不但都是由造物主造就的，而且也是由诸天使推动的。然而在哥白尼的体系里，天体的运动是它们自身固有的性质，而“原动天”和“最高天”也只不过是一个静止的供计算运动用的参照物而已。这正是牛顿后来提出绝对空间假设的思想先驱。
第三，作为构筑哥白尼理论体系的基本出发点的“相对运动观”具有重要的认识论和方法论的转折意义。哥白尼指出，“每观测到一个位置的变动，它可能是由被观测物体或观测者的运动所引起，当然也能够由这两者的不一致的移动造成。当物体以相等的速率在同一方向上运动时，运动就觉察不出来，我指的是被测物体和观测者之间的运动觉察不出来。我们是从地球上看到天界的芭蕾舞剧在我们眼前重复演出。因此，如果地球有任何一种运动，在我们看来地球外面的一切物体都会有相同的，但是方向相反的运动，似乎它们越过地球而动。周日旋转就是一种这样的运动，因为除地球外似乎整个宇宙都卷入这个运动。”哥白尼还通俗、生动地比喻说：“当船舶静静地行驶，般员们从外界每件事物都可看到船的运动的反映，而在另一方面，他们可以设想自己和船上一切东西都静止不动。与此相同，地球的运动无疑地会产生整个宇宙在旋转这样一种印象。”这是在伽利略以前提出过的关于相对运动的最明确的科学论述，是批判神学教条的利器，也是开启人类科学认识的钥匙。数千年来人们看惯了日月星辰东升西落的现象，托勒密的解释也正好符合人们的常识。但是哥白尼对这个看似真理的常识的深刻思考所得出的结论告诉我们，常识也可能是错误的。科学不等于常识。对习以为常的东西投以好奇的一瞥，并进行科学的分析，就有可能发现科学的真理。
第四，哥白尼的“日心说”不仅“开辟了行星运动问题，也在以后150年间促使两门科学、甚至两种方法的结合”。也就是说，虽然人们往往认为牛顿的万有引力定律把地上的运动和天上的运动结合起来，实际上这个历程是从哥白尼就开始了的。
第五，托勒密的体系使生活在地球上的人具有得天独厚的地位，相信人类是一切的总和与顶峰，仿佛万物都是为人类而创造，供他们玩赏或臣服于他们的。而哥白尼的日心说则“使人类从以自我中心的沉湎状态中摆脱出来。”同托勒密体系一起废除的还有那种盲目的自信。
第六，《天体运行论》宣告了自然科学的独立。恩格斯在《自然辩证法》中说，“从此自然科学便开始从神学中解放出来，……科学的发展从此便大踏步地前进，而且得到了一种力量，这种力量可以说是与从其出发点起的（时间的）距离的平方成正比的。仿佛要向世界证明：从此以后，对有机物的最高产物，即对人的精神起作用的，是一种和无机物的运动规律正好相反的运动规律。”当然，用现代科学的理论来审视哥白尼的学说，我们会发现其中还有不少错误，但我们毕竟不应该苛求前人，倒是应该继承哥白尼及其学说的捍卫者和殉道人所展示的那种科学的怀疑精神和为真理而奋斗献身的精神。
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B.哥白尼 《天体运行论》
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A.达尔文 《物种起源》