日心说

定义

日心说是与地心说相对立的天体运动学说，其核心主张是太阳处于中心并接近静止，地球并不是宇宙的中心，而是一颗绕太阳公转的普通行星^[2]。按照这一学说，地球在绕日公转的同时还绕自身的轴自转，昼夜交替由此产生；在地球上看到的行星时而前进、时而后退，是地球与其他行星共同绕日运行造成的^[3][5]。哥白尼给出的行星次序由内向外为水星、金星、地球、火星、木星、土星，最外面的一层是不动的恒星天^[3]。

以现代形式表述，每颗行星沿椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上；行星与太阳的连线在相同时间内扫过相等的面积；行星公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比，即 $T^2 \propto a^3$^[6]。

背景

在古代西方，长期占主导地位的观点是以地球为宇宙的不动中心，亚里士多德与托勒密先后论证并完善了这种地心体系^[7]。地心体系需要解释行星逆行：行星在天球上的轨迹并不总是前进，而会周期性地后退，如果所有天体都绕地球作圆周运动，就很难说明这种往复^[8]。托勒密的应对办法是让圆套着圆，并让地球偏离圆周的圆心，这能大体符合当时的观测，代价是结构十分繁杂^[8]。

早在公元前3世纪，古希腊天文学家阿里斯塔克就提出地球绕太阳运动的设想^[9]。这一设想在当时受到质疑，例如地球若在运动，天空中的飞鸟和地面上的物体为何不会被落在后面或甩出，在不同位置为何看不到星空的变化^[8]。当时既没有能回答这些问题的物理学，也缺乏足够精密的观测，恒星视差直到19世纪才由仪器测出，这一猜想因此在近2000年间未成主流^[8][10]。

内容

1543年，哥白尼出版《天体运行论》，系统提出日心体系^[3]。书中列举了若干条主张：各天体的轨道并不共有一个中心；地球不是宇宙的中心，它只是引力作用与月球轨道的中心；一切天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近；地球到太阳的距离与天穹的高度相比微不足道；天空中看到的许多运动其实由地球的运动造成；行星的往返也源于地球的运动^[4]。

哥白尼沿用了天体只作匀速圆周运动的旧观念，把太阳当作整个宇宙的中心，并保留了恒星天这一层^[5][3]。他对地心体系所用的圆作了精简，把所需圆的数量从77个减少到34个^[11]。不过，他的模型仍要用到本轮与偏心，计算精度并不明显优于托勒密体系，真正让日心说占上风的是后来更准确的行星运动规律^[8]。

影响与争议

17世纪初，开普勒以第谷·布拉赫留下的火星观测数据为基础，于1609年在《新天文学》中提出2条规律：行星沿椭圆轨道运行、太阳位于焦点之一，以及行星与太阳的连线在相等时间扫过相等的面积；1618年他又发现周期与距离之间的关系，即第3条规律^[6][12]。第谷的观测误差通常不超过0.5分，为这项修正提供了可靠基础^[12]。椭圆轨道取代了日心说原有的整圆轨道与匀速假设，日心说在与地心说的竞争中取得优势^[12]。

伽利略用自制的望远镜观测星空，发现木星周围有4颗卫星，并看到金星像月亮一样具有从新月到满月的完整相位变化^[13][14]。按地心模型，金星只应呈现月牙状而不可能出现完整相位，因此这一观测被看作支持日心说的重要证据^[14][8]。

日心说与教会观念发生了冲突。1616年3月5日，教廷禁书目录部发布法令，认定地球运动、太阳不动的说法与经文不合，要求哥白尼的著作暂停流通以便修改^[15][16]。1633年，伽利略因支持哥白尼学说受到宗教裁判所审判^[16]。布鲁诺更早因积极传播相关宇宙观被宗教法庭处以火刑^[10]。

1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中运用运动定律与万有引力定律，从数学上推出并解释了开普勒的行星运动规律^[17][18]。行星为什么绕太阳运行由此得到物理解释，日心说与地心说之争基本结束^[17]。1757年，教皇本笃十四世接受牛顿力学，对日心论的禁令随之撤销^[19]。

现代天文学对日心说作了修正：太阳只是太阳系的中心天体，并不是宇宙的中心；行星的轨道是椭圆，运行速度也不均匀^[3]。为方便计算，今天所说的“日心”通常指太阳系的质心^[19]。行星绕太阳公转这一基本结论则一直沿用下来。

参见

• 尼古拉·哥白尼 —— 系统阐述日心体系的波兰天文学家，日心说因此常与他并称。

• 天体运行论 —— 哥白尼1543年出版的著作，日心说的主要文献来源。

• 地心说 —— 以地球为宇宙中心的对立学说，长期占据主导地位。

• 开普勒定律 —— 用椭圆轨道与面积规律取代圆轨道与匀速假设，完善了日心说。

• 伽利略 —— 用望远镜观测为日心说提供证据的天文学家。

• 万有引力定律 —— 牛顿提出的定律，为行星绕太阳运行给出物理解释。