日心說是怎樣成為東西方主流學說的？

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本題來自知乎圓桌?宇宙那麼大，更多討論歡迎關注。

先說東方。

日心說並沒有成為東方學說的主流，從來都沒有成為過。直到辛亥革命結束了清朝皇權，從名義上開始了民主政權的組織形式，從思想上開始西化。現代科學技術引入進來，建立了紫金山天文台，開始了新時期的天文學研究。但這個研究，已經稱不上是日心說、地心說的問題了。

再說西方。

哥白尼死後，《天球運行論》就要一本書獨自努力，失去了主人的幫助了。直到後來的第谷、開普勒、伽利略的時代，整個17世紀，都沒有成為科學主流，被廣泛的學術界接受。但是，這種接受一定是潛移默化的，並不存在一個一刀切的時間節點。

第谷觀測彗星和超新星，並利用視差測定了彗星的距離很近，而超新星的距離很遠，因此徹底打破了古希臘以來的「天界完美不可變化的觀點」，也徹底拜託了機械的天球概念。但第谷還是拒絕了日心說，採用了一個折中方案，即行星圍繞太陽，但太陽圍繞地球。

伽利略是接受日心說了，卻無法回答很多問題。

日心說面對一些疑難問題，只有解決了這些問題，才有了被接受的基礎。基本問題挑戰如下：

地球運動，為什麼人和事物沒有甩出去？為什麼感覺不到？
地球運動，為什麼恆星沒有呈現出視差？
即使承認日心說，也有新的觀測數據無法符合，比如火星軌道問題。

解決第三個問題，需要放棄圓軌道，採用橢圓軌道。
解決第二個問題，需要更高的觀測精度，知道貝塞爾觀測到恆星視差，那已經是19世紀的事了。
解決第一個問題，需要重新理解運動的本質，並且需要引入引力的概念。這是伽利略到牛頓這幾代人的努力做到的。

所以，這個問題沒有一個明確的時間節點，而是一代一代人不停地增磚添瓦的結果，直到現在。

感謝 @袁霖的邀請……
東方的事情我不怎麼了解……所以就只談西方好了…… @海盜河馬在很多地方所說的我是同意的，例如我們找不出一個具體的時間點，日心說就突然變成主流了……

首先，我們必須要承認，在日心說被接受以前，人們是把地球靜止不動視為「顯然」的……托馬斯·庫恩曾經引用過與哥白尼同一時代的英國天文學家托馬斯·布倫德維爾的評論：「斷定地球轉動而太陽在諸天的中心靜止不動，藉助這一錯誤的假定他對天球的運動和旋轉做出了比以前更正確的說明」……而這已經是當時相當傾向於日心說的評價了……如果哥白尼在當時的天文學界不是被稱為「我們時代的大師」的存在，而日心說又是一個進步神速的體系的話，我想日心說甚至連這種評價都得不到……
日心說所面臨的一個首要的問題就是「在直覺上，天界是完美的不變的和諧的，而地上並非如此」，並且再加上地球運動所面臨的物理學困境「地球運動，但是人和事物並沒有被甩出去」，文藝復興時代的天文學家們大多數即使是使用著日心說，也僅僅是把它作為一個有效但是不真實的模型來看待的……當然，以我個人來看的話，這種策略在當時甚至可以說是智慧的，畢竟哥白尼的理論在當時僅僅是前沿領域的一個有效假說，而與更加主流的學界意見相距甚遠……

事實上，在第谷·布拉赫出現以後，天文學界內部反對哥白尼的聲音是變得更加尖銳了而不是相反的……因為這裡談論的只是天文學界內部的事情，所以關於天主教和新教，原教旨主義和聖經的那檔子事情就不提了……哥白尼對於「視差的不存在」的解釋是「宇宙比我們想像得更大，地球圍繞太陽旋轉的距離與宇宙的尺寸相比比我們想像得差距更小，只有獲得了更加完善的觀察數據以後，我們才能發現視差」，只需稍稍思考一下便可發現這完全不是一個波普爾意義上可證偽的說法，但當時的天文學家倒是也不會以此為理由拒絕這一解釋了，關鍵的問題在於，在第谷·布拉赫獲得了遠遠比流傳下來的觀測數據準確許多的觀測數據以後，我們依舊沒有發現視差的存在，這對於哥白尼的學說毫無疑問的是個打擊，「在誤差很大的舊的觀測中沒有發現視差」和「在誤差只有1『的新的觀測中沒有發現視差」完全不是同一個問題……當然，如果我們進一步把宇宙擴大的話，這個問題也將不是問題，但是如果有一個體系能夠在解決物理學困境的同時以另一種方式解決這個問題，又有誰不幹呢？……但是第谷體系的存在卻有幾個重要的問題，與哥白尼的日心說不同，它面臨了另一種物理學的困境，那就是原有的水晶天球機制無法帶動這個體系，而也沒有辦法找出一種新的物理學機制來帶動它……
當然，第谷·布拉赫面臨著和哥白尼所面臨著的同樣尖銳的批評，新星與彗星的發現衝擊了天界的不變性，並且按照第谷的計算，彗星的運動將會使得水晶天球成為不可能，不過問題在於，儘管在當時的天文觀測證據基本指向第谷的結論的同時，人們也很難相信是否以後的天文觀測證據也是如此（如果以後的天文觀測證據不是如此的話，那麼反過來相信彗星和新星實際上是地上的東西，那才更合理，合當時的物理學的理），這也是很早的一個可重複性的使用的出現吧，第谷創造了一種可以重複的方法，無論誰使用這種方法得到了完全不同的觀測數據，那麼都可以反駁第谷，但是至少在後來很長一段時間的天文觀測實踐中，沒有……

必須指出的是實際上與火星軌道問題等問題的觀測數據不符並不是日心說的問題，因為它不是日心說獨自面對的問題，無論是哥白尼，還是第谷，當然也包括了許久以前的托勒密，沒有一個體系成功地擬合了所有的這些數據……完成這項工作的是第谷·布拉赫的學徒，約翰內斯·開普勒，因此從廣義上來看的話，反倒是日心說第一個解決了觀測數據不符的問題……雖然說，在這裡，解決了這一問題的，已經不能再算是哥白尼日心說，而應該算是開普勒日心說了，在這個日心說里，哥白尼保留的舊的東西也被抹除了，不是圓軌道而是橢圓軌道，沒有水晶天球，地球的最後一點特殊之處也已經喪失，等等等等……從這個角度上來說，開普勒日心說第一次真正在觀念上實現了天與地的統一，並且是統一在了亞里士多德地上的物理學一面（因為天球的物理學已經完蛋了）……不過問題在於，日心說所面臨的物理學困境，是開普勒所解決不了的……

很多人會認為伽利略使用望遠鏡的觀測為日心說提供了證據，但其實不然，望遠鏡所挑戰過的舊觀念，大多數早已經在第谷的時代就已經被挑戰過了，而無論是托勒密還是第谷的體系，都可以做出調整來解釋這些望遠鏡帶來的新發現，甚至跟哥白尼所能做的解釋一樣好，而且更關鍵的是，就連望遠鏡的觀測也沒有觀測到視差，正如海盜河馬所說的，觀察到視差的望遠鏡要等到19世紀才造出來……但令人不得不承認的是，伽利略的望遠鏡的確為日心說的傳播帶來了很大的影響……
但伽利略最主要的貢獻不在於此……伽利略最主要的貢獻是在於物理學尤其是運動學上的，在其著作中，首次出現了慣性運動的概念，按照笛卡爾的再解讀：「人們總是在問一個關於運動的錯誤問題，他們只問了物體為何保持運動，而恰當的問題應該是』究竟是什麼使得運動停止『。」……這樣，物理學困境就解除了……

但是，必須指出的是，這還沒有消除日心說所面臨的所有問題，儘管伽利略日心說消滅了物理學困境，開普勒日心說解決了數據問題……但是這裡卻讓日心說面臨了一個新的問題，那就是伽利略日心說與開普勒的日心說是不可共存的……伽利略的物理學不能允許開普勒式的行星運動……因為，伽利略的慣性運動是圓周運動……此時此刻就冒出了一個巨大的問題，如果要解決「地球運動，但是人和事物並沒有被甩出去」的物理學問題，就要採用伽利略的物理學，而這一物理學反對開普勒的天文學，而如果要支持開普勒的天文學，那麼就必須承認亞里士多德地上的物理學（開普勒在《新天文學》中對於自己的星球運動給出了亞里士多德物理學的解釋），而如果這樣的話「地球運動，但是人和事物並沒有被甩出去」的物理學問題又再一次令人變得困擾了……要解決這個問題，就要到牛頓的時代了，但是此時日心說早已成為了主流……

或許，我們可以這麼說，日心說在天文學上是成功的，在物理學上失敗的理由也已經被抹除，儘管這兩種日心說完全不是同樣的日心說，但是因為日心說本身具有的潛力在這兩件事情上得到了體現，並最終憑藉著這個潛力超越了地心說……我們從這裡可以得到這一個超越之前的一點，和這一個超越之後的一點，但是或許，我們並不能說在其中的某一點上，這個超越被完成了，因為這很可能是長期的鬥爭反覆的過程，在這裡的並不是某個很特殊的一個超越點，而是雙方反反覆復互相超越的一整個過程……

最近正好對這個題目發生了興趣，為了讓大家了解得更全面和詳細些，也為了整理自己的讀書所得，姑且當一回搬運工和剪裁工。回答很長，待我慢慢更新。

日心說的確立，是需要一本大書的篇幅來講的漫長曆程。

我們得從亞里士多德講起。

是的，亞里士多德，古希臘人，柏拉圖的徒弟，蘇格拉底的徒孫。

他不是搞哲學的嗎？沒錯，但古時候不分那麼細，現在的物理化學，以前都歸到自然哲學裡頭去。牛頓那部彪炳千古的科學著作叫什麼？《自然哲學的數學原理》。概括宇宙圖景，那也是哲學家的任務，亞里士多德沒有撈過界。

為什麼說古希臘文明是西方文明的源頭？因為西方人認識世界都是由蘇格拉底柏拉圖亞里士多德這些大哲手把手教的。物質是什麼？運動是什麼？時間是什麼？世界是什麼？來來來，你給我聽好，是這樣子的。他們對這些基本問題做出了身處他們的時代所能做出的最靠譜的解釋和回答。甚至不只局限於他們的那個時代，而是及於身後近兩千年。

亞里士多德那套統治西方人心靈近兩千年的宇宙圖景是什麼樣的？

宇宙是由天宇和地球以及充塞其間的自然諸物體的一個合成體系。……這宇宙的不做任何運動而固定的中心位置由地球佔住在那裡，……宇宙的上部各方面都有界限，最高部分稱為天宇，這是群神的住處。天宇上盡多神物，通常，我們稱這些神物為星辰，星辰們萬古相續地在一個軌道上運行，和所有諸天相共，莊嚴地作永恆不息的旋轉。

由這張圖可見，亞里士多德的宇宙分為兩部分：「宇宙的上部」（celestial），也叫「月上」，永恆不變；和「月下」（sublunary），充滿變化。「月下」從當中到外面依次包括由土元素構成的地球、水元素、氣元素、火元素和月亮的天球，「月下」再向外，則進入「月上」，依次是水星、金星、太陽、火星、木星和土星。土星外面，那層遍布星星的，就是恆星天，「星漢燦爛，若出其里」。

亞里士多德另一個重要的論斷是：天體進行的是勻速圓周運動。勻速圓周運動。勻速圓周運動。

重要的事情說三遍。

為什麼非得是勻速圓周運動？因為既然那裡的一切是永恆的，那它們的運動方式也必須是無限的或連續的。亞里士多德經過思考，認為只有勻速圓周運動是唯一可以無限延續下去的運動。

事實上，歸納出這樣的宇宙圖景是非常了不起的。它不是「烏龜承託大地」之類的玄想，它符合我們可感知的經驗，是人人能見的景象。你走出房外，張望大地，就能看見太陽東升西落，然後再次東升西落，周而復始，月亮與星辰亦然。一切都在表明，地球處於宇宙的中心。在很長一段日子裡，如果你是一個神智健全的正常人，你就不應該否認這幅圖景的正確性。

到托勒密的年代，去亞里士多德已有四百年。人們積累了不少觀測數據，和天體運動「勻速圓周」的要求有偏差，但是這個原則是不能違背的——它是如此直觀，怎麼可能是錯的呢？那麼，這個矛盾怎麼解決？

人們把觀測數據所反映的天體運動叫做天體的「視運動」，這個名詞暗示著這樣的意思：人們看見的運動和「真實的」運動不是完全一致的，天體當然仍然按照「勻速圓周」的要求在運行，但它們呈現在人們眼裡的樣子，也就是那個所謂的「視運動」，卻因為受到某些因素的影響，未必會體現出「勻速圓周」。天文學家的任務，就是構建出一個可以把「勻速圓周」原則和視運動完美相洽的理論模型。

托勒密是這樣做的：

我們可以假定，或者是各個星體在一個與宇宙不同心的圓周上作常規運動，或者這些星體有一個與宇宙中心相合的圈，但星體並不在這個圈上作常規運動，而是在另一個由這個圈所運載的圈上作常規運動。

這就是後來被稱作「偏心模型」和「本輪-均輪模型」的兩套方案。解釋一下，常規運動，就是勻速圓周運動。在偏心模型中，星體作圓周運動，但其圓心不是地球，而是距地球一段距離的一個點上；在本輪—均輪模型中，地球處於一個叫均輪的大圓的中心，另有一個叫本輪的小圓，其圓心沿著均輪的圓周運動，而星體就在本輪的圓周上運動。在兩個模型在數學上是等價的。

只要適當地選擇各種參數，如偏心率（偏心模型之中地球與圓心的距離），本輪和均輪的半徑，星體的運動速度，你就可以「湊」出星體的運行方式，使之符合實際的觀測情況。要記住，這種工作本質上是數學的，並不涉及真實的宇宙圖景。我這樣做只是為了方便計算而已，真實的宇宙圖景還是亞里士多德說的那樣呀，一點都沒變，這不是不言自明的嗎？你有別的想法，那就是想多了，杞人憂天。

後來，這兩種模型都無法解釋行星逆行的現象，於是托勒密又引入了「偏心勻速點」的假說——「勻速圓周」原則的參照點成了空間之中一個虛擬的特定點。好了，托勒密的模型終於擁有了驚人的準確性。有理論的論證，有觀測的肯定，有常識的支持，有信仰的認可，於是，獨領風騷整整一千年。

但是，這個模型走得離它所出發的亞里士多德越來越遠。用一個成語的字面意思來形容，托勒密就是在疊床架屋，架子勉強搭起來了，但看上去彆扭、累贅、不自然，或者說，不美。這和亞里士多德心目中的圖景肯定不吻合。

哥白尼就接受不了。

我因此常常想，是否能找到一個關於天球的更合理的安排，使得所有的、表面上的不規則運動都能由此導出，同時每一星體都能按最完美的運動原則所要求的那樣作常規運動。

為了嚴格貫徹亞里士多德的「勻速圓周」原則，哥白尼認為托勒密模型得大改。具體怎麼改？

讓地球動起來。

哥白尼第一份完整闡述日心說的文件不是我們熟知的《天體運行論》（其實這個譯名有問題，容後再論），而是一份叫做《尼古拉·哥白尼：他的關於諸天運動的假說之提要》的文稿。他在裡面用七條「假定」構造他的學說：

一，不存在所有天球的共同中心。
二，地球的中心不是宇宙的中心，而只是重力和月亮天球的中心。
三，所有的天球以太陽為中心點繞行，所以太陽是宇宙的中心。
四，日地距離與蒼穹的高度之比，較之地球半徑與日地距離之比小到如此微不足道，乃至於以蒼穹的高度來看，地球和太陽之間的距離實在是不可察覺的。
五，蒼穹所展示的運動不是蒼穹的運動，而是由地球的運動造成的。地球，連同它的附屬物，繞地球的恆定的極作完全的周日運動，而蒼穹和恆星天則保持不動。
六，我們所看見的太陽的運動不是它自身的運動，而是地球和我們所在的天球的運動。
七，行星的逆行和順行不是它們自身的運動，而是地球的運動。由此，僅以地球的運動就足以解釋如此之多的、看上去不規則的天球運動。

簡單解釋一下天球的概念。這是亞里士多德身後信奉他的人逐漸建立的學說，他們認為，行星鑲嵌在一層中空的載體之中，這一層殼的厚度恰好容納這顆行星的本輪，供本輪在其中運行。這層殼是絕對透明的，用眼睛根本觀察不到，但是它又確確實實是實體，和我們平常見到的岩石、土地、海水一樣，殼和殼之間絕不可能相互重疊，而是一層挨一層從裡到外嚴絲合縫地套在一起。這層殼就叫天球。行星之所以會運動，是它所依附的天球在轉動，從而帶動行星。

像不像我們中國的傳統工藝品玲瓏球？球內套球，每層皆可轉動，正是天球論的最佳演示。

這一理論模型千百年來被西方人視作理所當然毋庸置疑。但我們中國人對這個概念非常陌生。就拿《天體運行論》這本書來說，讀過中學的人應該都知道，但我敢保證至少有九成的人會想當然地以為書名的「天體」一詞，就是「宇宙之中的物質形體」的意思，而不知道這個拉丁文單詞「orbium」的原意卻是那個人們以為客觀存在、後來被證明是出於臆想的「天球」。沒錯，哥白尼要說清楚的是以太陽為中心的天球如何運行，而不是行星這樣的「天體」如何運行。

這個誤譯是怎麼產生的呢？北京大學教授吳國盛說：

在約定俗成為「天體運行論」之前，我國天文學界有一個舊譯名「天旋論」。李珩先生於1963年出版的《哥白尼》（商務印書館知識叢書）一書依然採用這個譯名。這個名字相比而言容易上口，而且意思接近，但不知為何沒有沿用下來。1953年，在為紀念哥白尼誕辰480周年出版的《紀念哥白尼》一書中，竺可楨、戴文賽等科學家採用了《天體運行論》的譯名。1973年科學出版社出版的李啟斌翻譯的節譯本（主要是前言和第一卷），書名是《天體運行論》，不過譯者為此加了一個注釋，注釋中說該書名直譯應為「論天球的旋轉」，只是因為大家常用才取「天體運行論」之名。1992年由武漢出版社、2001年由陝西人民出版社以及2006年由北京大學出版社相繼三次出版的葉式煇翻譯的全本，書名依然譯成《天體運行論》。

不過去年年底我們又有了張卜天的商務印書館譯本，書名終於被準確地譯為《天球運行論》。下面就這麼叫吧。

題外話講完，言歸正傳。根據這七條假定，哥白尼描寫了他心目中的宇宙圖景：太陽居中；最外層是「不動的恆星天」，以下依次是土星，圍繞太陽運行周期三十年，木星十二年，火星兩年半，「地球連同月亮」周年，金星九個月，水星三個月。

寫完這份文稿，哥白尼沒有像我們想像的那樣立刻完善他的學說，緊接著推出那部煌煌大著。你猜這時候離《天球運行論》刊行於世還有多久？

答案是將近三十年。

這三十年里，他一直在幹什麼？

他擔任教會負責地方事務的重要官員。他為波蘭國王和條頓騎士團傳送和解條約。他應教皇之邀參與討論理髮店修改。他草擬普魯士貨幣改革的建議。他繪製了包含一千多個地點的普魯士西部邊界地圖。他參加了與條頓騎士團的戰鬥。他主持對主教的治療。

磚家啊。哥白尼很忙。

一些流行的觀點說哥白尼懾於教會的威勢而遲遲不敢公布自己的理論，從現有的史料看，這種觀點得不到直接的支持。那看來哥白尼也和我們一樣，是個該死的拖延症重度患者。他一拖就拖了三十年，差點把科學史上最偉大的革命給拖沒了。

待續……

推薦科學史、科學哲學大家托馬斯庫恩的《哥白尼革命》一書。這裡面詳細地從全方位闡述了哥白尼革命。

很可惜，現在的科學哲學學說都不能很好的解釋這次複雜而又意義深遠的革命。

用地心說計算軌道的方法太難畫了

同意 @海盜河馬的觀點。
其實，哥白尼的日心說從來都不是主流。
經過後期大量科學家的不斷完善，等到有足夠實驗確認地球圍著太陽轉得時候，科學家同時已經確認太陽只是銀河系的一個普通恆星。連銀河系的中心都算不上，更何談宇宙？
一句話，哥白尼的理論是偽科學！
但是，不能否認哥白尼在歷史上地位，日心說的最大貢獻，是再次把哲學和物理的矛盾暴漏於世人眼前。
另外，日心說在中國古代也是有傳承的。

這個是歷史問題了，至少是「科普史」問題而非科學問題了。

劉慈欣對於這段歷史做了一個詩意的投射，非常地有文學情懷——用文火。