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结束了在意大利的学习生活后，哥白尼来到弗莱堡大教堂，当了一名教士。在当时，教士是一份很不错的工作，有着稳定而丰厚的薪水。这样一来，生活有了保障，哥白尼可以静下心来研究天文学了。
弗莱堡大教堂建在一座小山上，周围是城墙，城墙上面有箭楼。箭楼的上层有三个窗口，还有一个小阳台。到了晚上，不管是站在窗口前，还是站在阳台上，灿烂的夜空都好像近在眼前。哥白尼非常喜欢那里，他自告奋勇，一个人搬到了箭楼上居住。
箭楼里的生活很孤独，但哥白尼却很兴奋，因为在那里每天晚上都可以观测星空，根本不会有人来打扰他。他还自己动手，制作了很多天文观测仪器，并把它们安置在小阳台上，把那里“打扮”成了一个小小的天文台。
就这样，日子一天天过去了，哥白尼的“日心说”理论渐渐成熟。哥白尼决定，把自己的学说写出来，印刷出版，纠正在欧洲流行了一千多年的“地心说”。哥白尼的这部著作，就是天文学史上非常著名的《天体运行论》。
在每天废寝忘食地写作《天体运行论》时，哥白尼的生活中出现了一段浪漫的插曲。
当时，在弗莱堡，有一位名叫安娜的姑娘，她出身名门，既美丽又富有。可是，安娜拒绝了很多富家子弟的追求，一心一意地爱上了性格腼腆、喜欢沉思的哥白尼。虽然，哥白尼是一名教士，按照当时的规定，不能娶妻生子，但安娜还是抛下一切世俗偏见，一如既往地爱着哥白尼。勇敢的安娜为了爱情做出了很多牺牲，她抛开自己的身份和财富，毅然搬进了简陋的箭楼，和哥白尼住在了一起，照顾他的日常生活。
在安娜的陪伴下，哥白尼心中充满了幸福，也迸发出更多的灵感。通过不断的努力，他的巨作《天体运行论》终于完成了。
在这部划时代的著作中，哥白尼提出——太阳是宇宙的中心，所有的星体都在围绕太阳运动。地球并不是静止的，它只是一颗普通的行星，也在围绕太阳运动。人们生活在地球上，感觉不到地球在运动，原因就像人们站在船上时，感觉不到船在前进，反而会觉得岸边的树木在不停倒退一样，这只是个错觉。
今天我们已经知道，哥白尼的学说也不完全正确，地球不是宇宙的中心，太阳也不是，太阳仅仅是太阳系的中心。但是，在当时的历史背景下，哥白尼的“日心说”挑战了旧有的“地心说”，对腐朽和陈旧的教会思想进行了毫不留情的批判，这已经是巨大的历史进步了。
虽然《天体运行论》已经完稿了，但由于害怕遭到教会的迫害，哥白尼迟迟没有将它公开出版。后来，年迈的哥白尼染上了重病，觉得自己要不久于人世了，才把手稿送到德国纽伦堡出版。
1543年5月24日，《天体运行论》的样书寄到了哥白尼面前，这个时候，69岁的哥白尼已经到了弥留之际，他摸着自己用一生心血写出的巨著，离开了人世。