日心說

日心說（英語：Heliocentrism），也稱為日心說，是一種地位已被取代的天文學理論和模型。在該模型中，太陽居於宇宙的中心，地球及行星則圍繞其運動。在歷史上，它與將地球置於中心位置的主流學說天動說相對立，並在16世紀的哥白尼革命以後逐漸取代了地心說的地位。在現代天文學理論中，日心說已被基於宇宙學原理的模型所取代，這些模型認爲宇宙並不存在一個絕對的中心或首選參照系。

早在公元前三世紀，薩摩斯島的阿里斯塔克就曾提出過地球圍繞太陽旋轉的構想。他的觀點據信受到克羅托內的菲洛勞斯影響。菲羅勞斯在公元前世紀曾提出：地球是球形的，並且繞著一種神祕的中央火旋轉，而此火則控制著整個宇宙。然而，在中世紀歐洲，阿里斯塔克斯所提出的地動説並未引起多少關注。這或許是因爲當時希臘化時期的科學著作在歐洲已大多遺失。

直到十六世紀的文藝復興時期，尼古拉·哥白尼才重新提出了基於日心説的理論體系和數學模型，並由此引發了哥白尼革命。在隨後的一個世紀裏，約翰內斯·克卜勒爲行星運動引入了橢圓軌道，將哥白尼的日心說發展為日後被普遍接受的形式，並顯示了它相對於地心說的優越性。而伽利略·伽利萊則通過望遠鏡對太陽系進行了觀測，為日心說提供了關鍵的支持證據。日心說開始逐漸取代地心說，被人們接受。

日心說將地球移出了宇宙的中心，否認了人類作為宇宙觀察者的特殊地位，這被稱為哥白尼原理。根據威廉·赫歇爾、弗里德里希·貝塞爾等天文學家的觀測結果，人們發現太陽也不是宇宙的中心。現代天文學理論並不認為有任何宇宙中心或首選參考系，這被稱之為宇宙學原理。日心說這一術語現在仍保留著剩餘的真理價值，但其範圍已被縮小為人類所在的太陽系內。

## 早期日心說

地球是球形的觀念至少從自公元前四世紀起就在希臘-羅馬天文學界被廣泛接受，但關於地球周日自轉和圍繞太陽周年公轉的觀點直到哥白尼革命時期才被普遍接受。大約在公元前四世紀，畢達哥拉斯學派提出了地球繞「中心火」運動的觀念，公元前三世紀薩摩斯的阿里斯塔克斯發展了一個較為完整的地動說模型，但是這些觀點並沒有能取代靜止地球觀念的地位。自公元二世紀起直到公元16世紀，在天文學界占主導地位的模型是托勒密在其著作《天文學大成》中所描述的天動說模型。

### 畢達哥拉斯學派

第一個非天動説模型是由畢達哥拉斯學派的哲學家菲洛勞斯在公元前390年左右提出的。他認為在宇宙的中心是一團「中心火」。地球、太陽、月亮及行星圍繞著中心火以均勻的圓周運動旋轉。這個體系假設存在一個「反地球」，和地球隔著中心火相對，並且圍繞中心火的旋轉周期與地球相同。太陽每年圍繞中央火轉一次，星星是靜止的。地球始終是一面朝向中心火，所以在地球另一面的人類看不見中心火和「反地球」。在接下來的大約2000年裡，畢達哥拉斯的天體勻速圓周運動概念一直沒有受到質疑。哥白尼在他的著作中也提到畢達哥拉斯和菲洛勞斯等對他提出移動地球的概念的影響。克卜勒認為畢達哥拉斯派思想中的「中心火」就是指的太陽，並聲稱這是「大多數教派故意隱藏的教義」。

公元前四世紀，龐都的赫拉克利德提出用地球的自轉來解釋天體的表觀周日運動。他也曾經被認為提出了水星和金星圍繞太陽旋轉，而太陽又（與其他行星一起）圍繞地球旋轉的觀點。但這一看法現在有很大爭議。馬克羅比烏斯（CE 395—423）後來將其描述為「埃及系統」，聲稱「它沒有逃脫埃及人的技能」，儘管在古埃及沒有其他證據能夠證實這一點。

### 薩摩斯的阿里斯塔克斯

已知第一個提出地動説系統的人是薩摩斯的阿里斯塔克斯（約公元前270年）。阿里斯塔克斯測量了太陽和月亮的大小和距離。根據他所進行的估計，他得出了結論，認為太陽比地球寬六到七倍，並且認為較小的物體（地球）圍繞更大的物體（太陽）運動是更自然的假設。

阿里斯塔克關於天動説系統的著作已經失傳，但從他的同時代人阿基米德的簡要描述和後來作家的零星參考資料中可以略知一二。阿基米德對阿里斯塔克斯理論的描述在前者的《數沙者》一書中被提及，托馬斯·希思對此所作的翻譯如下：

陛下您（蓋隆國王）想必已知曉，大多數天文學家將「宇宙」這一名稱賦予這樣一個球體：該球體的球心即是地球的中心，而其半徑則等於太陽中心與地球中心之間的直線距離。這是普遍接受的觀點，正如陛下從天文學家那裡所聽到的那樣。然而，阿里斯塔克斯寫了一本書。根據書中的假設可以得出這樣的結論：即宇宙要比剛才所提到的「宇宙」大上許多倍。他的假設是：恆星和太陽保持靜止不動，地球則沿著以太陽為中心的圓周軌道繞太陽運轉；恆星天球同樣以太陽為中心。恆星天球是如此巨大，以至於他所設想的地球運轉軌道與恆星距離的比值，就如同球心與球面的比值一樣。

阿里斯塔克斯認為恆星離得很遠，理由是如果地球的軌道相對於天球的大小是顯著的，那麼恆星之間的相對角距會在一年中發生可以被觀測到的變化（所謂恆星視差）。事實上，這些恆星離得很遠，以至於直到十九世紀三十年代，藉助於足夠強大的望遠鏡，天文學家才第一次檢測到恆星的視差。

成書於公元前的任何其他作品都沒有提及阿里斯塔克斯所提出的天動説。在之後的文獻中，最早提及阿里斯塔克斯日心說是普魯塔克的兩段文字。這些文字提到了阿基米德的敘述中沒有明確說明的一個細節 —— 即阿里斯塔克斯的理論還包括了地球的自轉。其中第一個引用出現在《論月面》中：

但願你不要像克里安西斯那樣，以不敬神的名義對我提起訴訟，我的好朋友。克里安西斯認為，希臘人有責任以不敬神之罪起訴薩摩斯的阿里斯塔克斯，因為後者讓宇宙之爐運動了起來 —— 阿里斯塔克斯試圖通過假設天體保持靜止，而地球在自身繞軸自轉的同時又沿著一條傾斜的圓軌道公轉，來解釋各種天文現象。｜《論月面》(De facie in orbe lunae, c. 6, pp. 922 F – 923 A.)

這裡提到的克里安西斯是希臘化時代的哲學家，他的著作只有零星片段倖存下來。但第歐根尼·拉爾修在《哲人言行錄》中確實記錄了克里安西斯曾寫過一篇對阿里斯塔克斯的答覆。有學者認為這可能就是普魯塔克提到的克里安西斯指控阿里斯塔克斯不敬神一事。

普魯塔克對阿里斯塔克斯日心說的第二個引用出現在他所著的《柏拉圖問答》中：

其餘關於阿里斯塔克斯日心說的文獻記載都極其簡短，未能提供超出上述文獻之外的更多資訊。但在阿提烏斯的《哲學家意見集》，塞克斯圖斯·恩丕里柯的《反對數學家》，以及一部亞里斯多德著作的匿名評註 中，都明確提到了阿里斯塔克斯的名字。此外，阿提烏斯的《哲學家意見集》中另一段文字記錄了天文學家塞琉古曾斷言地球是運動的，但這段文字沒有提及阿里斯塔克斯。

## 哥白尼的日心說

現代的日心說宇宙模型是由波蘭天文學家尼古拉·哥白尼在十六世紀提出。其內容被總結在1543年發表的《天體運行論》和之前撰寫但並未出版的《短論》中。

哥白尼模型的要點包括：

- 天體運動是均勻永恆的圓周運動，或者是幾個圓周（本輪）的組合。哥白尼繼承了畢達哥拉斯關於天體運動是勻速圓周運動的觀念，也保留了托勒密體系的鈞輪本輪系統。
- 地球並非宇宙的中心，而是一顆行星，繞著太陽運轉；宇宙的中心靠近太陽。儘管哥白尼將太陽置於地球軌道中心，他並沒有將其置於宇宙的絕對中心，而是放在靠近中心的地方。
- 圍繞太陽，按順序排列著水星、金星、地球與月球、火星、木星、土星以及恆星。
- 地球有三種運動：周日自轉、周年公轉以及地軸的迴轉運動。哥白尼引入第三種運動以解釋分點歲差。
- 行星的逆行是由地球的運動來解釋的。哥白尼認為逆行是視覺效應，由地球和行星在不同軌道上的公轉速度差所致。
- 與到恆星的距離相比，從地球到太陽的距離是很小的。這一點是為了解釋天文學家一直不能觀察到恆星視差的事實。

和托勒密體系相比，哥白尼的鈞輪本輪系統有以下特點：

- 廢除了均衡點。哥白尼認為均衡點違背了真正的均勻圓周運動原理，因而用更多的本輪取代了托勒密模型中的均衡點。這對於同時代那些同樣信仰畢達哥拉斯勻速圓周運動的天文學家而言，這是該模型的主要優點。
- 對逆行的解釋不再需要本輪。這使得哥白尼模型在概念上更加簡潔。
- 使用更小的本輪。因為哥白尼的圓軌道很接近太陽系中真實的橢圓軌道，他只需要較小的本輪來進行修正。哥白尼體系中的本輪被稱為「小輪」（epicyclets）。

因為以上的優點，哥白尼的模型對閱讀過《天體運行論》的很多16世紀天文學家（包括後來的伽利略）具有一定的美學吸引力，但他們中的大多數雖然對哥白尼體系很感興趣，但並不能完全接受。這主要是基於以下的原因：

- 它並不比托勒密模型更準確。附加了小輪的哥白尼模型能達到和托勒密模型同樣的精度，但並不能超過後者。
- 缺乏解釋地球運動的物理機制。是什麼樣的力量，才能讓如此巨大笨重的地球持續轉動，永不停息？地心說沒有這些問題，因為根據當時通行的亞里斯多德理論，天體是由極為輕盈的「以太」構成。我們為什麼不會被地球的自轉甩出地球？為什麼把球往上一丟，掉下來時卻仍在原地？現在我們知道這些是可以被慣性作用解釋，但慣性的概念要到十七世紀初，才由伽利略等人提出。
- 缺乏證明地球運動的關鍵性天文觀測：恆星視差。雖然哥白尼對此給出了正確解釋：恆星離地球太遠，以至於視差太小，用肉眼無法觀測。但這個關鍵性證據的缺乏一直困擾日心說，直到19世紀，天文學家首次用望遠鏡觀測到恆星視差才得以解決。
- 若為了解釋缺乏恆星視差而承認恆星距離地球非常遙遠，則會面臨另一個困難：如此遙遠的恆星能被我們看到，它們必定十分巨大。這對當時的人們，包括第谷·布拉赫在內都是難以想像的。

## 日心說的接受

《天體運行論》發表後的最初幾十年裡，大多數天文學家們一方面對哥白尼日心體系在概念上的簡潔性表示欣賞，另一方面又無法接受地球運動的觀念。比如第谷·布拉赫就提出了一個妥協的體系，即太陽繞地球轉動，但其他行星繞太陽運動。在學術界之外，激進的新教徒，比如馬丁路德，對日心說大加鞭撻，但天主教羅馬教廷並沒有太激烈的反應。

但也有天文學家接受了哥白尼的地心學說，喬爾達諾·布努諾就是其中一個。布努諾有很多離經叛道的觀念，包括支持日心說，並將其發展為宇宙無限論。他在1600年以異端罪名被宗教裁判所審判並被燒死在火刑柱上，但日心說在他的罪名中有多大比重是有爭議的。

約翰內斯·克卜勒是另一個支持哥白尼日心說的天文學家，他攥寫的《哥白尼天文學概要》對日心說的傳播起了重要作用。克卜勒在繼承了第谷觀測數據之後發現，哥白尼體系和托勒密體系的數據均未能與第谷的觀測相吻合。他進行了各種嘗試，試圖建立一個能完全符合第谷數據的日心體系。最終他發現以橢圓軌道取代圓形軌道修正了日心說之後，可以完全摒棄本輪鈞輪系統。而且其精度超出哥白尼和托勒密的模型，能完全符合第谷的觀測數據。他的理論被發表在1609年出版的《新天文學》中，這標誌著現代日心說的建立。

支持日心說的天文學家還包括伽利略·伽利萊。1609年伽利略聽聞並自製了望遠鏡，並在人類歷史第一次用望遠鏡進行了天文觀測。伽利略發現了一些可以支持日心說的新的天文現象。他觀察到了太陽黑子，動搖了亞理斯多德「完美天體」的信條；木星衛星的發現表明了地球不是宇宙中唯一被天體環繞的事物；金星滿盈現象則完全否定了托勒密體系。但這個時候羅馬教廷在壓力之下已經開始對日心說加大審查力度，伽利略被宗教裁判所傳喚。他試圖勸說教廷接受日心說但未成功，日心說和《天體運行論》在1616年被禁，伽利略也於1633年被判在家終身監禁。

但以哥白尼日心說為開端的科學革命已經在歐洲逐漸展開。伽利略提出了新的物理學，慣性概念為地球的運動提供了物理學基礎。弗蘭西斯·培根和勒內·笛卡爾發展了新的科學哲學和方法論。艾薩克·牛頓在1687年發表《自然哲學的數學原理》，從力學角度證明了日心說和克卜勒行星運動定律，徹底奠定了現代科學的基礎。

18和19世紀天文學和物理學的發展最終為地球的運動和日心說提供了確實的觀測證明。1727年，詹姆斯·布拉德利證實了光行差的存在，證明了地球的相對運動。1838年，弗里德里希·貝塞爾首次測到天鵝座61的視差為0.314角秒，終於為日心說補上了這塊從阿里斯塔克時代就一直缺失的重要拼圖。1851年，萊昂·傅科在巴黎的先賢祠演示了著名的傅科擺實驗，以簡單直觀的方式在大眾面前展示了地球自轉的證據。日心說最終被天文學家和大眾所接受。

## 參考書目

- Baker, A. and Chapter, L. (2002), "Part 4: The Sciences". In M. M. Sharif, "A History of Muslim Philosophy", Philosophia Islamica.
- A searchable online copy is available on the Institute and Museum of the History of Science, Florence, and a brief overview of Le Opere is available at Finn's fine books, and here.
- Available from the .
- Koyré, Alexandre (1957). From the Closed World to the Infinite Universe. Baltimore: Johns Hopkins Univ. Pr.
- . Original edition by Desclee (New York, 1966)

## 外部連結

- 哥白尼日心說(需要帳號、密碼才能登入瀏覽)