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托勒密以地球为中心的宇宙模型得到了常识和亚里士多德的支持，似乎也得到了《圣经》的支持，《约书亚记》第10章第12至13节中便有记载，上帝让太阳“静止”了一整天。数百年来，地心模型在预测行星运动方面表现出极高的准确度，但随着观测技术的改进，支持托勒密的天文学家们不得不对该模型进行无数次有针对性的调整，以维持其准确度。
举个例子，以地球为中心去观察，会发现数颗行星在“逆行”运动，它们会呈之字形和倒回状穿过夜空，而非保持连续的环形轨迹。为了解释这种异常，天文学家们给行星轨道添加了“本轮”（epicycle），行星会沿本轮运动，本轮的中心则是围绕地球运动，就像在“翻筋斗”一样。随着观测到的异常现象不断累加，越来越多的本轮和各种各样的数学手段被引入天文学。波兰天文学家哥白尼将无数次调整后变得极为复杂的模型比作一幅肖像画，画中之人是参照众多各有千秋的美人绘制而成，“最终画成的会是怪物而非人类”。
典型的本轮轨道
1514年，哥白尼手写了一本短小精悍的小册子，在其中悄悄阐述了他的日心模型。后来，他对该模型进行了更为深入的研究，并最终写成了一部技术性的专著《天体运行论》（ On the Revolution of the Heavenly Spheres ），该书于1543年成功问世，据说哥白尼逝世于见到印刷成品的那天。这本书的编辑是德国神学家安德里亚斯·奥西安德（Andreas Osiander），他未经哥白尼同意为该书作了序，其中一句带有歉意：“假设不一定需要是真的，甚至不一定需要有充分依据。相反，只要它们能提供与观察结果相符的预测，那就够了。”至于哥白尼对他的这一表态会作何反应，现在的我们也只能猜测了。奥西安德在此提出的观点是，科学理论的目标仅仅是与观察结果相符，而非与真理相符，尽管这并非是哥白尼的立场，但当科学理论与正统观念相冲突时，这确实是一个很有用的立场。距此100年后，伽利略也正因拒绝采用这样的立场而招致了谴责。
如果与观察结果相符是天文学的唯一目标，那么哥白尼模型想要推翻托勒密模型就几乎毫无胜算了，毕竟后者为与观察结果相符一直在做“翻新”。但德国天文学家开普勒的研究成果大大改变了这一局面。丹麦贵族第谷在汶岛（Hven）拥有自己的天文台，他经仔细观测有了新的发现。开普勒根据他的发现提出，行星轨道应该是稍带椭圆，而非严格的圆形。一旦摆脱亚里士多德对圆形的执着，哥白尼模型至少拥有了不输托勒密模型的准确度。此外，开普勒发现行星的椭圆轨道与它们的运行速度有如下关系：行星与太阳连线在相同时间内“扫过”的区域面积相等。这一定律正如开普勒所期望能发现的那般出人意料而又简洁精妙：他秉持的是毕达哥拉斯的自然观，甚至希望有一天能探测到“天体音乐”。
真正为哥白尼体系带来最终胜利的是其最杰出的捍卫者——伽利略。伽利略1564年出生于意大利比萨，其父是音乐家兼理论家文森佐·伽利莱（Vincenzo Galilei），文森佐在自己的专业领域里也是一个反传统者。起初，伽利略在比萨大学学的是医学，虽然没有证据证明他著名的比萨斜塔实验是在此期间进行的，但他确实很快便转攻了数学和科学领域。他还在一场讲座上根据但丁的《地狱篇》（ Inferno ）讨论了地狱的位置与尺寸，因而小有名气。后来，他前往著名的帕多瓦大学任教，为天文学完善了望远镜基础技术，并写了一部专著《星空信使》（ Starry Messenger ）。有了望远镜的观测结果支持，他开始公开捍卫哥白尼体系。他观察到金星有不同的相位，让“地球静止说”难以自圆其说；他观察到木星也有卫星，并将之命名为“美第奇星”（Medicean Stars），以讨好当地贵族美第奇家族；他还观察到月球上有山脉，证明长期流传的亚里士多德学说“天空与陆地具有截然不同的性质”是错误的。
伽利略与哥白尼不同，他精于阐述，有可靠的科学声誉和不断增加的声望。天主教会迫于宗教改革的压力，不得已对他采取了行动。1616年，伽利略的研究成果正式被禁，意大利宗教法庭红衣主教贝拉明（Bellarmine）亲自下令，禁止他“认同、维护、教授”哥白尼体系。对此，伽利略不敢掉以轻心：1600年时，“异端”的自然哲学家布鲁诺被宗教法庭烧死在了火刑柱上，贝拉明正是布鲁诺案审判法官之一。
在接到贝拉明命令后的许多年里，天赋卓绝的伽利略投身于政治敏感性较低的科学问题研究中，比如纯粹数学、流体静力学、运动的本质以及物质的结构。后来，他的故友乌尔班八世（Urban VIII）当选教皇，让他重获了研究哥白尼体系的信心。新教皇或许是想奉行中庸之道，他劝伽利略改用更哲学的阐述，就像奥西安德自作主张为哥白尼做的解释那样。伽利略可以探讨哥白尼体系，但不得声称望远镜观察结果能够证明其体系的正确性，因为“上帝完全可以用截然不同的方式让事物产生我们肉眼所见的效果”。贝拉明也给了他同样的建议：“换个明智的说法，说地球运动、太阳静止比椭圆轨道和本轮更能解释所有天体运动的表象，这样就不会产生任何风险了。”伽利略很快发现，贝拉明所谓的风险是声称哥白尼的假说为真理。
伽利略天赋卓绝，既是敏锐的观察者、杰出的数学家、拥有独创性的实验者兼技术员，还是出色的作家，这些天赋很少集中在同一个科学家身上。此外，他还是科学界伟大的“思想实验”设计者之一。面对高度抽象或高度理想化的情况，科学家们无法设计真实的实验，只能在头脑里构思在这样的情况下应该会出现怎样的现象。以爱因斯坦为例，他认为对于运动与静止的观察者来说，光的速度都是一致的，为了了解这个观点会带出怎样的结果，他曾想象自己搭乘在光束上。此类思想实验的意义往往不是检验理论，而是完善理论，看看从逻辑角度，这个理论（或其替代理论）会“导”出什么结果。但它也可能引发经验检验，就像爱因斯坦的思想实验一样。它也可能揭示出，该理论所给出的预测在逻辑上是不可能的。
伽利略也使用了思想实验以反驳普遍为人们所认可的一个假设：不同质量物体下落速度自然不同。他的脑海中出现了2枚炮弹，一枚10磅，一枚1磅，由坚固的长杆连在一起。然后他问：与单独的10磅炮弹相比，这个物体会下落得更快还是更慢？遵从主流的自由落体假设思考，一方面，它更重，因此会下落得更快；另一方面，较小的炮弹应该会对较大的炮弹产生轻微的“拉力”，减缓其下落速度，因此整体而言会比单个10磅炮弹下落得更慢。无须真实实验，这个思想实验就可证明原假设会带来自相矛盾的结果，因此原假设必定存在某种问题。
1632年，伽利略出版了《关于两种世界体系的对话》（ Dialogue Concerning the Two Chief World Systems ），这是一本通俗易懂的对话体著作，他在书中连珠炮似的抛出了诸多经验性和概念性的论证，这些论证最终决定了托勒密体系的命运。这显然违背了1616年红衣主教贝拉明给他下的命令，他也因此被传唤到罗马宗教法庭，受到了审问和谴责。宗教法庭还命令伽利略公开放弃哥白尼观点，他服从了，称：“我诅咒并憎恶自己说过的谬论。”尽管因谴责而伤心欲绝，健康也因此恶化，但他并未就此放弃研究。聊以慰藉的是，他被软禁之地是佛罗伦萨附近的乡间别墅，离他的修女女儿很近，他在那里一直工作到1642年去世。
伽利略受审的正式罪名是违背了贝拉明的命令，但真正的问题还是源自科学与宗教间的关系，这一点至关重要。伽利略写给大公爵夫人克里斯蒂娜（Christina）的信广为流传，在信中，伽利略公然主张在研究自然过程时科学应占上风。他并没有遵从《圣经》的所谓自然真理，违背了贝拉明的命令，认为科学应成为解释《圣经》的指南：“物理学上已确认的真理才是最适合辅助我们解释《圣经》真理的工具。”同样备受争议的还有科学本身的性质。伽利略认为科学不仅仅要“解释表象”，还应探究“业已证明的”关于这个世界的“真理”。上述争议持续至今，在第4章中我会继续探讨。
伽利略最终撤回了自己的言论，但他绝没有屈从于指控他的人，在科学争论中，他依旧极其固执，甚至傲慢。保存着他著作的意大利博物馆或许也应该保存下他的中指。