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1.2 天文学是天地人和谐的产物
人类的记忆模式中，有一类叫做“情景记忆”，看到什么特定的场景或事物，大脑中才会产生与之一致的记忆。科学的发展许多也是如此，我们所说的“天人合一”不就可以说是——看到天，想到地，再想到人吗？
天文学取得的许多成就，过程也是如此。就我们下面要具体谈到的事例而言，哥白尼最初的想法不就是感觉天空、宇宙是那么的伟大浩瀚，不可能它的构成会像托勒密的“地心说”那么琐碎复杂，再加上天文观测手段的进步，更精确的天象记录的利用，从而顺理成章地产生了“日心说”。这也可以说是历史进步的必然产物，有了社会的、科学的、现实的基础，在当时哥白尼所处的年代，即使不是他发现总结了“日心说”，也会有“张白尼”“李白尼”来完成这一历史使命！爱因斯坦的名言就说，科学的就是简单的，事物总是越简单越美。还有那个“苹果砸中牛顿脑袋”的故事，真的确有其事吗？据说牛顿的姑妈还出面证实，她亲眼看到一个大大的苹果砸中了牛顿的脑袋……其实，我们真的不会在意这件事情的真假，在意的是任何事物都会有一个必然的发生和发展的过程，绝不会凭空出现。
哥白尼，伟大的波兰天文学家，“日心说”理论的创始人。许多关于社会和科学发展的论述都会把他看成是一个革命家，一个旧世界的“斗士”。其实，他应该是一个科学家、天才、幸运儿，有着科学家所固有的严谨的工作态度，有着发现事物缺陷和理论不协调的敏锐眼光，受过良好正统的教育，生活无忧，这才使得他有能力、有运气、有时间去改变历史的进程。
哥白尼10岁时父亲就去世了，但是身为教堂主教的舅父收留了他。他18岁进入大学学习文学和天文学，要注意当时天文学的学习内容，几乎是包罗万象的，有几何、代数、占星和天文宇宙学等。当时的哥白尼就对天文学产生了极大的兴趣，而且他的数学成绩很好。大学毕业后，他又去意大利留学10年，那个时期的意大利是文艺复兴（图1.18）的中心，人才济济。
图1.18 文艺复兴
哥白尼在博洛尼亚大学专注于天文学的学习，1497年3月9日记录了他平生第一次天文观测。其后他在罗马教授数学，回国后就被任命为弗洛恩堡教堂的一位教士，拥有这种职位，就可以终生享受充足的生活费，因此，哥白尼事实上过着衣食无忧的优裕生活，并具有充分的自由支配的时间从事天文学的研究。1513年3月31日，他在教堂里建成了一座小型的天文台，并设计了三架天文仪器。
哥白尼数学很好，又有着对天文学的极度热爱。在他留学期间，文艺复兴的“春风”已经促使意大利以及其他国家的许多学者在汲取古希腊思想源泉的基础上，在自由的氛围里对诸多现存的僵化学说和制度提出批评和挑战。在天文学领域，托勒密的地心说就自然而然地成为被批评和挑战的对象。
哥白尼在思想上倾向于毕达哥拉斯学派，信仰柏拉图的完美主义，追求数学、天文学上的简单性和完美性。托勒密体系中由于引入了“对应点”的概念，使得天体不能再进行完美的匀速圆周运动，哥白尼认为体系是“不合格”的，违背了希腊人完美运动的原理，而如果体系（宇宙）的中心不是地球而是太阳，那么对天体运行的描述就 可能会 简单得多。他在他最早的著作《关于天体运动假说的要释》中指出：“托勒密的理论，虽然与数值计算相符，但也吸引了不少疑问。的确，这种理论是不充足的……天体既不是沿着载运它的轨道，也不绕着它自身的中心在作等速运动。因此，这样的理论，既不够完善，也不完全合理。”这似乎是说，托勒密的体系对天体位置的预测是有效的，但是它违背了希腊天文学和哲学中完美运动的原理。可见哥白尼是多么推崇毕达哥拉斯，中毒至深！他又说道：“我注意到了这一点，于是就常常想，能不能找到这些圆的一种更合理的组合，用它可以解释一切明显的不均匀性，并且如同完美运动原理所要求的，每个运动本身都是均匀的。”由此可见，哥白尼最初的用心只是想到了事物的完美和理论的不协调，并不是真的想要开创一场天文学的革命。后面我们会看到，他的日心理论的提出就是建立在一般性的“公理”之上的。
直觉告诉我们，所有的天体都是围绕着地球旋转，作为宇宙的中心，地球是静止不动的。在不能认识宇宙的古代，人类只能是“坐井观天”地去体会和赞美宇宙。认识宇宙的真面目也只能是无奈地退而求其次了。
Cosmos（宇宙）一词，是由古希腊的数学家毕达哥拉斯创造的，原意为“一个和谐而有规律的体系”。毕达哥拉斯学派认为，天文学的目的，首先是追求宇宙的和谐，而不是狭义地去拟合观测。因此，对于古希腊的科学家来说，科学的目的，是为了揭示宇宙的奥秘。构建模型、解释现象，要比追求实用、迎合世俗的价值观更加重要。在他们的心目中，科学一定是美的，作为宇宙论的一个基本特征，和谐与简单，就是这种美学的最高标准。这种科学观，最终形成了绵延持久的学术传统，对西方科学的发展产生了极为深远的影响。
你可能会问，难道他们不想去实际地观察宇宙、认识宇宙吗？当然想！那是人类一直的梦想。只是手段和认识能力不具备而已！心理学和社会学的研究告诉我们，人对于未可知的东西，更可能产生的情感和思维就是畏惧或者赞美。
所以，当时统治科学界的“大神”柏拉图才会这样描述天体运行所应该采用的轨道：宇宙的本质是和谐的，而和谐的体系应当是绝对完美的，由于圆是最完美的形状，因此，所有天体运动的轨道都应该是圆形的（图1.19）。
图1.19 柏拉图的和谐宇宙和天体的完美圆轨道
按照这种假说，柏拉图提出了一种同心球宇宙模型，在这个模型中，月亮、太阳、水星、金星、火星、木星、土星依次在以地球为中心的固定的球面上作圆周运动。
这个模型提出后，很快就遭到人们的质疑。因为，行星在天空中时而顺行、时而逆行，凭直觉就可以判定，它们的视运动轨迹显然不是一个圆周。对此，柏拉图认为，行星运动所表现出来的这些现象是表面的、个别的，并不能够证明宇宙遵循“和谐”的这个理性主义的美学原则错了。为了对付这些异常现象，他发起了一场所谓的“拯救现象”运动，试图继续用同心球模型的框架来解释行星逆行之类的异常现象。
在“拯救现象”的运动中，涌现出了一位杰出的几何学家，他就是在缓解古希腊第一次数学危机的过程中扮演了重要角色的欧多克斯。在柏拉图同心球理论的基础上，欧多克斯提出了一种新的同心球模型。在这个模型中，日月五星的视运动轨迹，每个都是由一系列的同心球按不同的速度、绕不同的轴旋转而成的。
而古希腊的天文学家发现日月五星运动的不均匀性现象，在欧多克斯的同心球模型中还是不能够反映出来。为了更精确地模拟天体的运动，后来有人对日月五星分别增加了一层天球，使整个模型中同心球的数目达到34个，甚至更多……
到了公元前340年前后，柏拉图的学生亚里士多德在欧多克斯的同心球理论的基础上，又提出了所谓的水晶球体系（图1.20）。这个模型修正了柏拉图同心球体系中天体的排列次序，调整了太阳与内行星（水星和金星）的位置，地球之外次第为：月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星天。
在亚里士多德的宇宙论中，有两点基本的假设：
第一，地球是宇宙的中心，是绝对静止不动的。为了证明这一点，他举出了两条论据，其一，假设地球是运动的，就会有所谓的“恒星视差”，但是，当时对恒星的观测并没有发现这一点（当时的观测精度无法测量到恒星视差，但它是存在的）；其二，假设地球是运动的，从高处坠落下来的物体就不应该是它的垂直的投影点。
第二，天体运动必须符合统一的圆周运动（uniform circular motion）。这一条，在欧多克斯的同心球模型提出来后，基本上可以确立了。
图1.20 水晶球体系
按照欧多克斯的同心球模型，可以比较好地解释日月运行的快慢，以及行星的顺行、逆行等现象，虽然复杂一些，但是不失“和谐”，可以说是一个很“完美”的宇宙模型。可是，不久人们便发现，行星（特别是金星、火星）的亮度会发生周期性的变化，而对于这个现象，欧多克斯的同心球模型却无法解释，因为按照同心球理论，行星到地球的距离始终是一样的，不应该产生亮度的变化。
那么，行星的亮度为什么会发生变化呢？这个问题成为亚里士多德之后的一些学者关注的焦点。
以研究圆锥曲线著称的阿波隆尼认为，行星并不是直接绕地球作圆周运动，因此，行星与地球的距离并不总是相等的，有时远，有时近。当行星离地球较远的时候，看起来较暗，当行星离地球较近的时候，看起来较亮。
为了说明他的想法，阿波隆尼提出了最早的“本轮-均轮”模型（图1.21）。在这个模型中，行星 P 本身绕空间中的一个点 C 作圆周运动，这个圆被称为“本轮”。本轮的圆心 C 则绕地球作圆周运动，这个圆被称为“均轮”。这两个圆周运动的合成，所画出的轨迹，就是我们看到的行星运行的真实路径。
图1.21 行星的“本轮-均轮”模型
在亚里士多德之后的近500年中，古希腊的数理天文学基本上只重视对宇宙模型的构建与修改，并不太关心这些宇宙模型对具体的天体运动的计算精度。实际上，各种模型的提出和改进，都是为了提高它的解释功能，所以在很大程度上，忽视了计算上的精度。因此，这些模型，虽然可以很简明地演示天体的运动，但是，都不具备历法意义上和计算天体运行工作中的实用性。
这种状况，在公元150年，被伟大的天文学家托勒密进行了根本性的改变，这一年，他出版了一部数理天文学著作《天文学大成》。托勒密仔细地研究了前人的成果，特别是阿波隆尼的本轮-均轮模型与希帕恰斯的偏心圆模型，在这两种模型的基础上，托勒密构造了一种新的本轮-均轮模型。利用这个模型所建立的计算方法，是与当时的天文观测相当吻合的。
托勒密模型中最重要的创造，是提出了一种叫“对应点”的概念（图1.22）。根据阿波隆尼的本轮-均轮模型，行星 P 在本轮上绕圆心 C 作匀速圆周运动。与阿波隆尼不同，托勒密将均轮设计为一个偏心圆，以圆心 O 为中心，选择与地球 E 相对称的点 E ＇，称之为“对应点”。本轮的圆心 C 绕对应点 E ＇作匀角速度运动。托勒密的体系中 C 点 P 点没有改变，只是在地球的所在处增加了“对应点”的设置，这样就能满足行星的圆周运动。
图1.22 对应点
虽然，托勒密的模型在实际应用上，远远高于以前的所有模型，但是，它存在着一个致命的弱点，那就是，本轮的圆心 C 围绕着对应点 E ＇作角速度均匀的运动，而不是绕均轮的圆心 O 作线速度均匀的运动。因此，这个模型违背了亚里士多德宇宙论中的基本要求——统一的圆周运动（uniform circular motion）。
我们前面提到，哥白尼日心理论（图1.23）的提出是建立在一般性的“公理”之上的。他当时这样讲：“当我致力于这个无疑是很困难的而且几乎是无法解决的课题之后，我终于想到了只要能符合某些我们称之为公理的要求，就可以用比以前少的天球和更简单的组合来做到这一点。”
图1.23 哥白尼和他的日心说
他所说的公理有七条：
第一条：对所有的天体轨道或天球，不存在一个共同的中心。
第二条：地球的中心不是宇宙的中心，而是重力中心和月球轨道的中心。
第三条：所有的天体都围绕太阳旋转，太阳俨然是在一切的中央，于是宇宙的中心是在太阳的附近。
第四条：日地距离和天穹高度的比小于地球半径和日地距离的比。因此，与天穹高度比起来，日地距离就是微不足道的了。
第五条：天穹上出现的任何运动，不是天穹本身产生的，而是由于地球的运动。正是地球带动着周围的物质绕其不动的极点作周日运动，而天穹和最高的天球始终是不动的。
第六条：我们看到的太阳的各种运动，不是它本身所固有的，而是属于地球和其所在的天球。就像任何别的行星一样，地球和其所在的天球一起绕着太阳运动。这样，地球就具有几种运动了。
第七条：行星的视运动和逆行，不是它们在运动，而是由于地球在运动。因此，只要用地球运动这一点就足以解释天上见到的许多种不均匀性了。
根据哥白尼的理论，“只要用地球运动这一点就足以解释天上见到的许多种不均匀性了”，因此，托勒密地心说中无法解释的诸多现象，在日心说看来都是可以迎刃而解的，这是日心说得以提出的最重要的原因。
实际上在公元前3世纪，希腊学者阿里斯塔克就提出，太阳处于宇宙的中心，地球围绕着太阳旋转，由于他首次提出了日心说，因而被称为“古代的哥白尼”。哥白尼在托勒密学说的基础上，继承了阿里斯塔克的日心说主张，提出了崭新的日心说理论。哥白尼认为：地球是球形的，因此它的自转与公转运动也应当是圆周运动。
1543年哥白尼的《天体运行论》出版了，在科学界，它和达尔文的《物种起源》以及牛顿的《自然哲学的数学原理》并称为奠基性的三大著作。《天体运行论》的出版，在天文学领域标志着柏拉图对行星进行“完美”几何描述的结束，促使科学家们开始研究行星运动学的问题，更进一步，自然也就产生了行星动力学方面问题的思考，也就是说，是什么原因使得行星特别是地球运动起来的？
在回答这些问题的过程中出现了四个关键人物：第一个是第谷，他的主要贡献在于给出了精确和完备的观测；第二个是开普勒，他将天文学从几何学的应用转换成了物理动力学的一支；第三个是伽利略，他利用望远镜揭示了天体隐藏着的真相，并发展了运动的新概念，巩固了哥白尼的主张；第四个是笛卡儿，他构想了一个无限的宇宙，在这个宇宙里没有什么位置和方向是特殊的，太阳只不过是一颗区域性的恒星而已。
第谷，一位伟大的观测天文学大师。通过一系列的革新和精心的设计，他的仪器的观测精度可以控制在1弧分之内，几乎达到了天文目视观测的极限，真正是前无古人。说他后无来者，是因为在他之后的天文学家基本上都不再利用目视观测了。借助于这些精良的天文仪器（图1.24），他不仅对恒星位置进行了重新测量、系统测量了太阳运动的各主要参数、修正了大气折射的数值，而且发现了月球运动的一种不均匀性。更重要的是，他为行星运动的研究积累了大量的精密观测数据。
图1.24 第谷的“私人”天文台——星堡
第谷出生于丹麦一个地位显赫的世袭贵族家庭，12岁进入哥本哈根大学学习法律和其他学科，其间他对天文学产生了极大兴趣。通过对1560年8月21日日食的观测，年仅13岁的第谷对日食能够预报这一点留下了极深的印象，同时也从预报存在的巨大误差（1天）中意识到，要想获得更加精确的预报就必须有更加精确的天文观测。
1572年11月11日晚上，第谷在仙后座发现了一颗“比金星还要亮”的“新星”（图1.25（a））。他利用自己制作的四分仪开展了系统观测，发现这颗“新星”的位置相对于恒星背景没有任何变动，根本不是大气层内的变化，而是位于天界，甚至比五大行星的距离更远，这与亚里士多德关于天界永恒的观点完全相反。他请其他人一起来见证自己的发现，并发明“新星”（Stella Nova）一词来描述这颗新发现的天界物体。次年他在哥本哈根出版了《论新星》（ De nova stella ）一书，由此名声大振，并彻底走上了职业天文学家的道路。当然，反对他的保守派人也很多，对于这些人第谷在这本书中给出了明确的批判和讥讽：“O crassa ingenia. O caecos coeli spectators.”——“哦，那一窍不通的才智；哦，那些观天的睁眼瞎。”
1577年11月到次年1月他对大彗星的详细观测，包括对其距离以及彗尾（图1.25（b））的直径、质量和长度的测算，发现彗尾总是指向远离太阳方向的规律。通过观测，第谷认为该彗星远远位于月球天层以上。这一结果不仅再次对亚里士多德的天界永恒观提出了挑战，而且对第谷的宇宙学思想产生了更加重要的影响。
图1.25 第谷观测记录的1572年超新星（a）和他计算的大彗星的基本数据（b）
在宇宙模型方面，第谷是一个“折中”主义者。他遵循天体作匀速圆周运动这一最高法则，赞赏哥白尼对托勒密“对应点”模型的抛弃。但是，出于天文学和物理学两方面的原因，他不接受日心地动说。在他看来，哥白尼不光没有令人信服地解决地球的自转会造成“抛体悖论”问题，而且靠无限增大恒星天球半径的办法不但不能解决“视差悖论”问题，反倒会出现更加荒谬的结果。例如，如果假定恒星的周年视差为1弧分，那么，从土星到恒星天球的距离就要增大700倍。在这种情况下，光是一颗视半径为1弧分的3等恒星，其半径将相当于地球轨道的大小；而那些视半径更大的恒星将会比这更大。另外，他认为地球是一个沉重而充满惰性的物体，不会像哥白尼所认为的那样运动。而且他也认为，地动说根本违背了《圣经》上关于地球静止的说法。
图1.26 第谷的宇宙模型
第谷想建立一个既没有托勒密体系的“对应点”问题，又没有哥白尼地动说面临的各种问题的新体系，他想到了一种折中方案，也就是所谓的“第谷体系”（图1.26）：让月球与太阳继续围绕地球运动，而让五大行星围绕太阳运行。这样做既延续了日心说在简洁等方面的优势，又避免了该模型在当时所面临的种种诘难。问题是，这样一个模型意味着水星和火星的天球必须与太阳天球相切割。如果承认固体天球的存在，则这种体系在物理上是不可能的。然而，1577年出现的这颗彗星让第谷走出了困扰。因为，他的观测表明，这颗彗星实际上是自由地穿行于天球之间的：古人所认为的固体天球根本就不存在，大气层并非只到月球天，而是一直延续到所谓的“天界”。这层窗户纸一旦捅破，第谷立即在1588年出版的《论天界新现象》中公布了自己的宇宙模型。
哥白尼理论的最大问题是它和实际观测不符！如果地球是在运动的话，理论上我们就会见到恒星在天空中的位置在产生微小的变动，这叫做恒星的周年视差。第谷也好，伽利略也好，都没能观测到这个现象。当然，这不能怪第谷，因为恒星离我们是如此遥远，它的视差不要说用肉眼，哪怕是望远镜发明后的整整两百年内，都没有被最终发现。可站在第谷当年的立场上，这无疑是日心说的一个反证。
更何况，从日心说推算出来的星表，其精度根本不能和第谷本人的相提并论。客观地说，从当年的情况来看，并没有特别值得倾向于哥白尼体系的理由。之后布鲁诺捍卫日心说观点，结果被教廷判决烧死。但布鲁诺的用意并不在于坚持一种科学革命，相反，历史学家认为他的目的很可能是出于对一种古老宗教体系的恢复。这种被称为赫尔墨斯主义的思想充满了巫术色彩，崇拜太阳，而日心说正好与该教义暗合。我们今天说布鲁诺是“为了科学而献身”，这种说法其实存在着很大的争议。
而开普勒、伽利略对日心说的信奉，可以称之为眼光独到，同时也具有一定的科学证据。
和哥白尼、第谷两人不同，开普勒出身贫寒，还是个早产儿。更不幸的是由于3岁时被传染了天花，不仅损坏了面容，还使得他一只手半残，视力也受到损害。也可能正是由于处世的艰难，才有了他追求科学真理、天体运动的真相的坚强意志。开普勒对天文学的贡献完全可以和哥白尼相媲美。而作为一个科学家，他升华自然现象到科学本质的能力，更是要超过他的“老师”加同事——第谷！
开普勒虽然家境不好，但他还是走完了自己的受教育之路。当然他最初接受教育的动力是为了摆脱贫困，所以，他在1587年17岁时进入图宾根大学神学院。在进神学院以前，开普勒对天文学并没有多大兴趣，他热衷的是神学，希望日后能当一名牧师，为上帝传播福音。是他的老师和当时流行的日心说引起了他对天文学的兴趣。
1596年，开普勒发表了他的第一本著作《宇宙的奥秘》。并把书寄给了当时天文界的领袖人物第谷，几次通信之后，他们就感觉到了彼此的“惺惺相惜”。已经身在布拉格的第谷就邀请开普勒来共同工作。他在信中写道：“来吧，作为朋友而不是客人，和我用我的一切一起观察。”
第谷去世后，将他的所有观测资料留给了开普勒。当开普勒用第谷的观测资料研究火星的运动时，发现火星如果真是作圆周运动的话，那就与第谷的观测资料有8分的误差。对一般的观测结果来说，这是一个能够被接受的误差，但开普勒认为对第谷来说，这是一个不能允许的误差，他心里很清楚，第谷的实测误差绝对不会超过2分！
这时，开普勒以非凡的创造性精神大胆扬弃了一些不符合观测的传统观念。火星的运动轨道偏离圆轨道已经比较明显，与哥白尼认为行星运动一定是圆周运动的观点矛盾。但开普勒既没有因此怀疑日心说，也没有怀疑第谷的观测资料，而是认为哥白尼日心说里延续自柏拉图的完美的“圆周运动”值得怀疑。于是，开普勒摈弃火星运动轨道是圆周的假说，把它视为卵形。他对火星轨道试验了多种类似卵圆的曲线，花了3年时间才最终确定火星的轨道实际上是椭圆。而且发现火星椭圆运动轨道的猜想与观测资料非常一致。经过进一步的研究证明，不仅仅是火星，而且所有行星运动的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上（图1.27）。这就是开普勒的行星运动第一定律。
图1.27 开普勒——行星运动的“总指挥”
在确定行星沿椭圆轨道运动后，开普勒迫切想了解：“为什么行星偏爱椭圆运动？行星运动的原因是什么？”这促使他又证实，行星在椭圆轨道上，当离太阳近时行星运动快，离太阳远时行星运动慢。这样，开普勒又抛弃了星体作神圣的匀速运动的理论。去计算、找寻行星运动在椭圆轨道上所遵循的规律。这个规律就是开普勒第二定律：太阳到行星的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。
由于开普勒坚定宇宙有一种内在的和谐存在于各行星之间的运动，在之后的十年里，他又不知疲倦地继续观察行星运动和分析第谷的观察资料。1618年5月，开普勒终于发现了行星运动第三定律：各个行星运动周期的平方与各自离太阳的平均距离的立方成正比。
可以说，开普勒既完善了哥白尼的学说，又破坏了哥白尼的学说。哥白尼所寻求的满足几何简单性要求的行星系统，开普勒用一种圆锥曲线就解决了，把那些复杂的本轮、偏心轮统统淹没在椭圆的简单性之中；而开普勒对于火星研究总结出的行星定律，又把哥白尼一直推崇的完美的“几何天文学”引导到了物理学的一个分支。而开普勒行星定律更是奠定了牛顿力学及天体力学的基础。
但是，开普勒定律当时只是停留在理论上的精彩，还缺乏实际的考证。最初第谷邀请开普勒一起工作的原因之一，就是完成《鲁道夫星表》，开普勒最终也完成了这份任务，而正是这个基于第谷的观察和开普勒的理论的星表的精确性，证明了开普勒行星定律的正确。相比以往的星表，利用《鲁道夫星表》观测1631年的水星凌日现象时，精度是其他观测的十倍！
伽利略，意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。其成就包括改进望远镜和其所带来的天文观测，以及支持哥白尼的日心说。当时，人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”可见他的伟大程度，有一种说法，伽利略去世的那一年，牛顿出生（图1.28）。
图1.28 （a）伽利略制造了第一台折射式天文望远镜；（b）牛顿制造了第一台反射式天文望远镜
1564年2月15日伽利略出生于意大利西部海岸的比萨城，出身于没落的名门贵族家庭。父亲是一位音乐家，精通希腊文和拉丁文，对数学也颇有造诣。因此，伽利略从小受到了良好的家庭教育。
伽利略在12岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院，接受古典教育。17岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。由于家庭经济困难，伽利略没有拿到毕业证书便离开了比萨大学。在艰苦的环境下，他仍坚持科学研究，攻读了欧几里得和阿基米德的许多著作，做了许多实验，并发表了许多有影响的论文，从而受到了当时学术界的高度重视，被誉为“当代的阿基米德”。
伽利略在25岁时被比萨大学聘请为数学教授。两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒了教会，失去这份工作。伽利略离开比萨大学后，于1592年去威尼斯的帕多瓦大学任教，一直到1610年。这一段时期是伽利略从事科学研究的黄金时期。在这里，他在力学、天文学等各方面都取得了累累硕果。
伽利略的研究在两个层面上对哥白尼学说起到了支撑的作用。第一个是他通过望远镜的天文发现，从事实上证明了哥白尼的学说；第二个层面是他关于运动的重新评价，反驳了对地动说的经典驳难，从物理上支持了哥白尼。
1609年他听说荷兰人发明了望远镜之后，正处于创造能力顶峰的他，马上想到了利用望远镜观测天体的可能性，立即动手制作并投入观测。他说道：“同肉眼所见相比，它们几乎大了一千倍，而距离只有三十分之一。”他看见了月球表面的“坑”，知道了天体并非像希腊人描述的那么完美；他看到了比肉眼观察要多得多的恒星，而它们并不像行星一样视圆面会被放大，说明它们距离地球很远很远……真的可能像第谷驳斥哥白尼时所说的那样，恒星比原来的位置要远了700多倍，甚至更多，这对哥白尼当然是好消息。
1610年，当他把望远镜指向木星时，发现木星位于三颗小星星的中间，而这三颗小星星令人惊奇地排成了一条直线。那天是1月7日，而他在1月13日再度观察它们时，小星星已经不是三颗，而是四颗，而且从它们的位置变化判断，它们是在围绕着木星公转。就像行星围绕着太阳，月亮围绕着地球一样。四颗卫星可以围绕着木星（公）转，如果是这样，那哥白尼构想的行星体系当然也就可以围绕着太阳（公）转啦。这一事实，还支持了哥白尼提出的宇宙没有唯一的绕转中心的猜想。
哥白尼的地动学说还曾经面临这样的驳难：如果说地球在自转的同时还在绕日公转，为什么我们完全感觉不到这种运动？一支箭垂直射向空中，为什么又落回到原地？因为按照亚里士多德的论证，地面上的物体除了寻找其固有位置的自然运动之外，别的运动都需要外力。如果地面从西往东在移动，那么垂直落下的箭因为没有横向的作用力，势必要落到偏向西面的地方。然而事实并非如此，所以地球在箭飞行的时间内是没有移动的。
面对这一驳难，伽利略采取了釜底抽薪的策略，也就是重新评价（定义）运动的概念。对亚里士多德来说，非自然运动的强迫运动需要一个原因，因此需要一个解释；而静止是不需要原因的。伽利略关于运动的观点告诉我们：并不是运动本身需要原因，而是运动的变化需要原因。稳定的运动包括静止这种特例是一种状态（惯性），保持这种状态会感觉不到运动。这就是为什么地球上的人在地球绕太阳旋转的时候感觉不到自己的运动（速度）的原因。
图1.29 伽利略的大船实验
伽利略的那个大船的故事我们都听过很多遍了，现在我们从图上来看看他是如何描述的（图1.29）：“把你和一些朋友关在一条大船下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼；然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐子里。船停着不动时，你留神观察，小虫都可以等速向舱内各个方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摇摆，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。”
这就是当前物理学课本中的“伽利略相对性原理”，大约三百年之后爱因斯坦的相对论论证了，这一原理也适用于任何封闭系统的电磁现象。而在当时，这一实验结论，无疑地起到了论证地球运动立碑存证的效果。
笛卡儿，因为笛卡儿坐标系，很多人会想他是一名数学家，其实他可以说是一名物理学家、天文学家，他建立的无限宇宙的涡旋模型几乎统治了整个17世纪，直到牛顿万有引力定律的提出。也许有些人愿意把他看成哲学家，你会想起他著名的“心形曲线”（图1.30）。好吧，我们就顺便提一下他的两句名言：
图1.30 笛卡儿和他的“心形曲线”
我思故我在！
所有的好书，读起来就像同过去世界上最杰出的人们谈话！
笛卡儿的确是一个天才，他提出坐标系的概念，对光学也有研究，还特别研究了碰撞运动，提出运动中总动量守恒的思想，被认为是动量守恒的雏形。他最重要的贡献是打破了依旧禁锢在哥白尼、开普勒和伽利略脑袋里的有限宇宙的概念，提出了无限宇宙的思维。他认为宇宙是一个充满物质的空间，空间的物质运动形成了无数的旋涡。他提出，我们的太阳系就处于这样一个旋涡中，这个旋涡如此之巨大，以至于整个土星轨道相对于整个旋涡来说只不过是一个点。笛卡儿的涡旋宇宙理论是第一个取代固态不变的水晶球模型的宇宙学说，为人们指出了宇宙的可变性和无限性，开拓了人类科学的视野。