科學必定源於神話，並在對神話的批評中成長起來。
——卡爾·波普爾
我不覺得有責任相信，賦予我們感覺、理性和智慧的上帝故意讓我們棄之不用。
——伽利萊·伽利略
生活在地球上雖然可能成本高昂，但它卻包含了每年一度的繞日免費旅行。
——匿名
物理學不是宗教。如果是的話，我們掙錢就會容易得多。
——萊昂·萊德曼
我們的宇宙點綴著超過1000億個星系。每個星系又包含大約1000億顆恆星。目前還不清楚到底有多少行星在環繞這些恆星運行，但可以肯定的是，它們中至少有一個演化出生命。特別是，有一種生命形式已經具備了推測這個巨大宇宙起源的能力和膽量。
人類凝視太空已有幾千代人的歷史，但我們很榮幸，成為第一代可以聲稱對宇宙的創生和演化給予體面的、合理的和一致的描述的人裡的一分子。大爆炸模型對我們在夜空中看到的一切事物的起源提供了一種優美的解釋，這使它成為人類智慧和精神財富中最偉大的成就之一。它是永不滿足的好奇心的結果，是神話般想像力的結果，是敏銳的觀察力和無情的邏輯推理的結果。
更奇妙的是，大爆炸模型可以被我們每一個人所理解。我第一次瞭解大爆炸概念還是一個十幾歲的少年，我被它的簡單性和完美性震懾住了，對它那種很大程度上建立在未超出我在中學物理課上所學知識的範疇的原理之上這一點感到歎為觀止。正如查爾斯·達爾文的自然選擇理論，大多數心智健全的人都能理解並領悟其基本原理一樣，大爆炸模型也可以用非專業人士能理解的語言來說明，而不必擔心弱化了理論中的關鍵概念。
但在瞭解大爆炸模型的最早期狀況之前，我們有必要學習一些基礎知識做鋪墊。宇宙的大爆炸模型是在上個百年裡發展出來的。這是唯一可能的，因為20世紀的突破是建立在前幾個世紀積累的天文學知識基礎之上的。同樣，有關天空的這些理論和觀測又是在兩千多年裡無數前人刻苦鑽研所創設的科學框架內取得的。往更遠了說，這種科學方法，作為獲取物質世界客觀真理的途徑，可能在神話和民間傳說的作用開始減弱的那一刻就已經開始萌芽了。總而言之，大爆炸模型的根基和我們對科學宇宙論的追求可以回溯到古代神話世界觀衰落之時。
從巨人造物主到希臘哲學家
根據公元前600年的中國創世神話，巨人盤古由一個蛋中脫殼而出，並著手創造世界。他用鑿子刻出峽谷和山脈。接著，他設置了太陽、月亮和天上的星星。任務完成後他便去世了。巨人造物主的死亡也是創世過程的重要組成部分，因為他身體的碎片幫助完成了這個世界。盤古的頭蓋骨形成了天空的穹頂，他的肉體變成了土壤，骨頭化為岩石礦脈，血化作江河和海洋。他的最後一口氣變成了風和雲，而他的汗水則變成了雨。他的頭髮落到地面，產生了植物生命，頭髮裡的跳蚤即為人類的先祖。由於我們的出生需要以我們的造物主的死亡為代價，因此我們都會受到悲傷的詛咒。
相反，在冰島的（散文體）史詩神話《埃達》裡，宇宙的創生不是始於一個蛋，而是誕生於巨大的缺口。這個虛空將南方的火熱之地（MuspeII）與北方的嚴寒之地（NifIheim）分開，直到有一天，火熱之地的炎炎酷熱將嚴寒之地的冰雪融化，水霧侵入巨大的缺口，點燃了巨人伊米爾（Imir）的生命。這樣，世界的創生才開始。
西非多哥的克拉欽（Krachi）人則講述了另一個版本的巨人故事。這個巨人叫藍色巨神烏爾巴裡（WuIbari），他就是我們再熟悉不過的天空。他曾一度躺在地球上方，但一個用長木棒搗糧食的女人不停地戳他，他只好將自己升空到這個討厭鬼夠不著的地方。然而，烏爾巴裡還是在人間夠得著的地方活動，他曾用其腹部作毛巾，從他的藍色身體上取一部分體液來增添他們的湯的滋味。但漸漸地，烏爾巴裡升得越來越高，直到藍天變得遙不可及，且一直保持至今。
還是在西非，在約魯巴人看來，奧勒倫（OIorun）才是天空的主人。他向下看了一眼了無生機的沼澤後，便要求另一位神帶著蝸牛殼降臨到荒蠻的地球上。蝸牛殼裡有一隻鴿子、一隻母雞和一丁點土壤。土壤被撒在地球的沼澤上，隨後母雞和鴿子便開始用爪子撓地，並用嘴啄地，直到沼澤變成堅實的大地。為了檢驗它們的工作，奧勒倫又派變色龍下凡，變色龍從天上降臨到大地後，身上的顏色也由藍色變成褐色，表明母雞和鴿子已成功地完成了它們的任務。
在世界各地，每一種文化都有它們自己的關於宇宙的起源和它是如何形成的神話。這些創世神話差異極大，但每個神話都反映了它所起源的環境和社會。在冰島，正是火山和那裡特有的氣象條件形成了伊米爾誕生的背景，但在西非約魯巴人那裡，則是大家熟悉的雞和鴿子帶來了堅實的土地。不過，所有這些獨特的創世神話都有一些共同的特點。無論是巨大的、藍色的、傷痕纍纍的烏爾巴裡，還是中國垂死的巨人，這些神話不可避免地都要求助於至少一個超自然的存在，來扮演宇宙創生的解釋中所起到的至關重要的作用。此外，每一種神話在其誕生的社會中代表了絕對真理。“myth（神話）”一詞源自希臘詞“mythos”，其本義可以是“故事”，但在“最後指令”的意義上也可以是“命令”。事實上，任何膽敢質疑這些解釋的人都將置自己於異端邪說的境地。
這種情況直到公元前6世紀才有了大的改變。當時在知識階層中突然形成了一種寬容的氛圍。哲學家第一次可以自由放棄公認的對宇宙起源的神話解釋，並發展他們自己的理論。例如，米利都的阿那克西曼德認為，太陽是一個環繞地球轉動的，其內燃燒著熊熊大火的環形的洞。同樣，他還認為，月球和星星無非就是天空中的洞，露出了其中隱藏的火。而科洛封的色諾芬則認為，土滲出可燃氣體，這些氣體在晚上積累到一個臨界點並被點燃，從而產生太陽。當氣態的球燃燒殆盡後，夜幕便再次降臨，燃燒留下的點點火花便構成我們所稱的星星。他解釋說，月球以同樣的方式運行，只不過它的氣體聚集和燃燒有一個28天的週期。
色諾芬和阿那克西曼德的解釋是否接近事實並不重要，因為真正的要點是他們發展了一些不訴諸超自然的器物或神靈來解釋自然界的理論。這種認為太陽是我們透過天空中的洞看見的天火，或是一個燃燒著的氣態火球的理論，性質上不同於那種將太陽解釋成戰神赫利俄斯駕駛的駛過天際的火熱的戰車的希臘神話。這不是說新一波哲學家必然要否定神的存在，而只是說他們不願相信自然現象都是上帝干預的結果。
這些哲學家是第一批宇宙學家，因為他們對物理宇宙及其起源的科學研究感興趣。“宇宙學”這個詞源自古希臘單詞“kosmeo”，意思是“有序”或“有組織”，反映了宇宙是可以理解的，是值得分析研究的這一信念。宇宙有模式，古希臘人的雄心就是想辨別出這些模式，予以詳盡的考察，瞭解其背後的機制。
稱色諾芬和阿那克西曼德是現代意義上的科學家這肯定過於誇張，認為他們的想法是完全成熟的科學理論不啻對他們的奉承。但不管怎樣，他們確實對科學思維的誕生做出了某種貢獻，他們的精神與現代科學有很多共同之處。舉例來說，如同現代科學中的思想一樣，古希臘宇宙學家的觀點可以受到批評和比較，被提煉或放棄。古希臘人愛好辯論，所以哲學家的圈子裡會審查各種理論，質疑其背後的原因，並最終擇出哪一種理論是最有說服力的。與此相對照，在其他許多文化中，個人不敢質疑本民族的神話。每一種神話在其社會中都是一種信仰。
大約自公元前540年開始，薩摩斯的畢達哥拉斯幫助加強了這種新理性主義運動的基礎。作為其哲學的一部分，數學在他那裡得到了長足的發展。他展示了數字和公式如何能夠幫助用來構建科學的理論。他的第一個突破是通過數字的調和來解釋音樂的和諧。古希臘早期音樂中最重要的樂器是四絃琴，但畢達哥拉斯利用單根弦製成的單絃琴進行實驗，發展了他的理論。讓弦保持固定的張力，但弦長可以改變。彈撥特定長度的弦產生一個特定的音符，畢達哥拉斯認識到，如果將同一弦長減半，則產生的音調高八度，且與原長的弦所發出的音相和諧。事實上，按簡單的分數或比值來改變弦的長度，將產生一個與第一個音符和諧的音（例如：比例3:2發出的音現在稱為五度樂音），但按照不合適的比例來改變弦長（例如15:37）就將導致不和諧。
自從畢達哥拉斯證明了數學可以用來幫助解釋和描述音樂之後，隨後幾代科學家便都試著用數字來探索一切事情——從炮彈的軌跡到混沌的天氣。威廉·倫琴，就是在1895年發現了X射線的那一位，便是畢達哥拉斯數學科學學派的堅定信徒。他曾指出：“物理學家在準備工作時需要三樣東西：數學、數學還是數學。”
畢達哥拉斯的口頭禪是“一切皆數”。在這種信念的推動下，他試圖找出支配天體的數學法則。他認為，天空中太陽、月亮和行星的運動產生出特定的音符，具體音高由它們的軌道長度來確定。因此，畢達哥拉斯得出結論，這些軌道和音符必然具有特定的數值比例，因為宇宙是和諧的。這成為當時流行的理論。我們可以從現代的角度來重新審視它，看看它在當今嚴格的科學方法面前是不是還能站得住腳。從積極的一面看，畢達哥拉斯聲稱宇宙中充滿了音樂這一點沒有訴諸任何超自然的力量。而且，這個理論相當簡單，也相當優美，這兩種特質在當今科學裡受到高度重視。在一般情況下，一個建立在單個簡潔、優美的方程基礎上的理論要比一個建立在多個複雜、醜陋的方程（其品質需要諸多繁複虛飾的註解來說明）基礎上的理論更受青睞。正如物理學家伯恩特·馬蒂亞斯所言：“如果你在《物理評論》上看到一個公式佔了超過四分之一頁，算了吧，是錯的。大自然不會那麼複雜。”然而，簡潔和優美還不是科學理論最重要的特徵。最重要的是理論結果必須與實際相吻合，必須能被檢驗，而這正是天體音樂理論不完備的地方。根據畢達哥拉斯的解釋，我們時時刻刻都沐浴在他假想的天籟之中，但我們之所以感知不到它，是因為我們自出生後就一直聽到它，已經變得充耳不聞了。但不管他怎麼解釋，說到底，任何理論，如果它預言有一種音樂你可能永遠聽不到，或有一種東西你無法檢測到，那麼它只能是一種蹩腳的科學理論。
每一種真正的科學理論都必須對宇宙間的事物做出可觀察或可測量的預言。如果實驗或觀測結果與理論預言的結果相匹配，那麼我們就有充分的理由接受這一理論，並將其併入更大的科學框架內。反之，如果理論預言不準確，而且與實驗或觀測結果相衝突，那麼這一理論就必定會被拒絕，或至少是需要更改，不論從美學還是簡單性上看這一理論有多好。這是最高級別的挑戰，是最殘酷的挑戰，但每一種科學理論都必須是可檢驗的，並與實際事實相容。對此19世紀的博物學家托馬斯·赫胥黎這樣論述道：“科學的大悲劇——一個美麗的假說被一個醜陋的事實所戕害。”
幸運的是，畢達哥拉斯的後繼者們在他的想法基礎上建立並改進了他的方法論。科學逐漸成為一門日益複雜和強大的學科，它能夠取得驚人的成就，例如對太陽、月球和地球的實際直徑，以及它們之間的距離進行測量。這些測量活動是天文學史上的里程碑，它們代表了人類在瞭解整個宇宙的道路上邁出的試探性的第一步。因此，這些測量活動值得在此稍加詳細地說明。
在天體的距離或大小可以計算出來之前，古希臘人最先建立起大地是一個球體的概念。隨著哲學家慢慢熟悉這樣一種現象——遠去的帆船逐漸消失在地平線下，只露出桅桿的頂——這種觀念得到了古希臘人的認可。因為這種現象只有將海面看成是曲面並在遠處消失才能夠說得通。如果海面具有曲面性質，那麼可推知大地也應如此，這意味著它可能是一個球體。這一觀念通過對月食的觀測得到了強化。月食的發生源自地球在月球上投下的圓盤形影子，其形狀恰如你所預料的一個球形物體的投影一樣。同樣重要的事實是，每個人都可以看到，月球本身就是圓的，這表明球形是存在的一種自然狀態，這一點為球狀大地假說增添了更充分的理由。一切都開始變得好理解了，包括希臘史學家和旅行家希羅多德的著作。希羅多德在書中講述道，在遙遠的北方，人們一睡就是半年的時間。如果大地是球形的，那麼球面上不同的地區根據其緯度的不同會有不同的白天時長，這自然就產生了極地的冬季和夜晚要歷時6個月的現象。
但是，球形的地球產生了一個問題，這個問題即使在今天依然讓孩子們困惑不解——是什麼力量阻止了南半球的人們不會掉下去？古希臘人解決這個謎團的辦法是基於信仰——相信宇宙有一個中心，一切都受到這個中心的吸引。地球的中心理應恰與這個假設的宇宙中心重合，因此地球本身是靜態的，其表面上的一切東西都被拉向中心。因此，希臘人都因為這個力才能夠站在地面上，正如地球上的其他人一樣，即使他們生活在地球的背面。
測量地球大小的壯舉最早是由出生於約公元前276年的昔蘭尼（今利比亞）的埃拉托色尼完成的。甚至在他還是個小男孩時，埃拉托色尼就顯露出過人的聰慧，他的知識遍及任何學科，從詩歌到地理。他甚至被戲稱為“五項全能者”，就是說像一個從事五項全能運動項目的運動員一樣，才華遍及各領域。埃拉托色尼作為圖書館館長在亞歷山大城住了很多年。圖書館館長這個職位在古代世界可以說是最有名望的學術職務。當時，大都會亞歷山大城取代雅典成為地中海地區的知識文化中心，該城的圖書館是世界上最受尊敬的學術機構。這裡可沒有成天在書上加蓋日期的刻板的圖書管理員，也沒有人交頭接耳竊竊私語，因為這是個充滿活力、令人興奮的地方，到處是鼓舞人心的學者和讓人眼花繚亂的學生。
正是在主持這個圖書館期間，埃拉托色尼瞭解到，在埃及南部的賽伊尼城（今阿斯旺鎮）附近有一口具有奇特用途的井。每年的6月21日夏至這天的中午，太陽直射井底。埃拉托色尼認識到，在這個特定的日子裡，太陽必定在頭頂正上方，而這種事情從來沒有在賽伊尼以北幾百千米外的亞歷山大發生過。今天我們知道，這是因為賽伊尼靠近北迴歸線，那裡是太陽可以在頭頂正上方的最北端的緯度區域。
圖1 埃拉托色尼在亞歷山大城用一根立桿的影長來計算地球的周長。他在夏至這天進行了這項實驗。這天地球對陽光傾斜得最厲害，使得沿北迴歸線的城鎮都處在陽光直射的狀態。這意味著在這些城鎮的正午時刻太陽正好在頭頂的正上方。為清晰起見，本圖和其他的圖中的距離未按比例繪製。同樣，角度可能有誇大。
埃拉托色尼意識到，太陽之所以不能同時在賽伊尼和亞歷山大兩地過頭頂，原因在於大地是彎曲的。他想到應該可以利用這個性質來測量地球的周長。他考慮這個問題的方式可能與我們今天的考慮有所不同，他的幾何解釋和他所用的符號也不盡相同，因此這裡給出的是他的方法的現代闡釋版本。圖1顯示了來自太陽的平行光線在6月21日中午直射地球的情形。在正午時刻，在賽伊尼，陽光直射井底；在亞歷山大，埃拉托色尼在地上立了根直桿，並測量了陽光與立桿之間的角度。最重要的是，這個角度等同於亞歷山大和賽伊尼兩地到地球中心的兩根徑向延長線之間的夾角。他測得的角度為7.2°。
接著，假設有人決定從賽伊尼徑直走到亞歷山大，然後馬不停蹄地繼續走下去，直到他環繞地球一圈回到賽伊尼。那麼這個人便繞了360°整整一圈。因此，如果賽伊尼與亞歷山大之間的角度為7.2°，那麼賽伊尼與亞歷山大之間的距離即為地球周長的7.2/360即1/50。接下來的計算就簡單了。埃拉托色尼測得兩個城鎮之間的距離是5000斯塔德。[1]如果這代表地球周長的1/50，那麼總的周長必為250000斯塔德。
但你可能會嘀咕，這25000斯塔德到底是多長？我告訴你，一個斯塔德就是舉行體育比賽用的跑道的標準長度。當時奧林匹克體育場的跑道為185米，所以地球的周長由此可估計為46250千米，這僅比40100千米的實際值大了15%。事實上埃拉托色尼得到的值可能更精確。因為埃及人的斯塔德不同於奧林匹亞人的斯塔德，前者只有157米，這樣給出的周長是39250千米，誤差只有2%。
他的誤差是2%還是15%是無關緊要的。重要的是，埃拉托色尼如何科學地估算出地球大小的方法。不夠精確僅僅是諸多因素——角度測量不夠好，賽伊尼—亞歷山大之間距離的測量有誤差，至日中午的時間掐得不夠準，以及亞歷山大不是位於賽伊尼的正北等——的結果。在埃拉托色尼之前，沒有人知道地球周長是4000千米，還是40億千米，所以能夠確定下來大致為40000千米不啻一個巨大成就。它證明了，一個人要想測量這個星球，需要的不只是尺子，還要有一顆大腦。換句話說，只要智慧與某些實驗裝置嫁接起來，那麼幾乎所有事情都有可能實現。
圖2 地球與月球的相對大小可以通過月食期間觀測月球穿過地球陰影的時間來估計。比起地月間的距離，二者離太陽的距離非常非常遠，因此，地球的影子的大小可以大致等同於地球本身的大小。
圖中顯示了月球穿過地球的影子的全過程。在這個特殊的月蝕——月亮大致穿過地球的影子中心——過程中，月亮從月面上剛出現陰影到被完全覆蓋，需要50分鐘，所以50分鐘是月亮自身直徑的指示。從月面完全隱沒在地球的陰影裡到月面完全離開陰影區所需的時間為200分鐘，這是地球的直徑的指示。因此地球的直徑大約是月球直徑的4倍。
對埃拉托色尼來說，現在有可能推算出月球和太陽的大小以及它們與地球的距離。這方面的大部分基礎性工作已經由早期自然哲學家完成，但在地球的大小被確立之前，他們的計算都是不完整的，現在埃拉托色尼有了這個缺失的值。例如，通過比較月食時地球在月球上投射的陰影的大小（如圖2所示），就有可能推斷出月亮的直徑約為地球的四分之一。一旦埃拉托色尼知道了地球的周長為40000千米，那麼其直徑大約就是（40000/π）千米，這大概是12700千米。因此，月球的直徑為12700/4千米，即大約為3200千米。
接下來埃拉托色尼很容易估計出地月之間的距離。一種方法是伸出你的手臂，豎起手指，閉上一隻眼，盯著滿月看。如果你試著這麼做，你就會發現，你的食指指尖可以遮住月亮。圖3顯示了你的指甲與你的視線形成一個三角形。月亮與你的視線構成一個相似的三角形，雖然二者大小差很多，但比例相同。你的臂長與指甲高度之間的比大約是100:1，這個比值必然也是地月之間的距離與月球自身的直徑之比。這表明地月間距離大致是月球直徑的100倍，即320000千米。
圖3 有了月球的大小，計算地月間距離就相對容易了。首先，你會發現，你在一臂之長的距離上用指尖就可以遮蔽掉月亮。因此，問題很清楚，指甲的高度與臂長的比大致等同於月亮的直徑與地月間距離的比值。手臂的長度大約是指甲高度的100倍，所以到月球的距離大約是月球直徑的100倍。
接下來是估計太陽的大小和距離。要感謝克拉佐美納伊（CIazomenae）的阿那克薩哥拉提出的假設，和薩摩斯的阿里斯塔克斯為此提出的絕妙論證，它使得埃拉托色尼能夠用來計算太陽的大小以及日地間距離。阿那克薩哥拉是公元前5世紀的一位激進的思想家，他認為人生的目的就是“研究太陽、月亮和天堂”。他認為，太陽是一塊白熱化的石頭而不是神。同樣，他相信各個恆星也是熱的石頭，只是距離太遠無法加熱地球。相反，月亮被認為是一塊冰冷的石頭，是不發光的，而且阿那克薩哥拉還認為，月光只不過是對太陽光的反射。
儘管阿那克薩哥拉所居住的雅典的學術氛圍越來越寬容，但要宣稱太陽和月亮是岩石而不是神仍然存在很大爭議，以至於嫉妒的競爭對手指責阿那克薩哥拉為異端，並組織起一場聲討運動，導致他被流放到小亞細亞的蘭薩庫斯。雅典人有一個愛好，就是用偶像來裝飾他們的城市，這就是為什麼大主教約翰·威爾金斯會在1638年不無譏諷地指出，一個把神變成石頭的人會受到一個把石頭變成神的人的迫害。
圖4 阿里斯塔克斯認為，利用出現半月的月相時地球、月球和太陽形成直角三角形這一事實，可以估算到太陽的距離。在半月時，他測量了圖中所示的角度。然後用簡單的三角學和已知地月間距離就可以確定地球-太陽的距離。
在公元前3世紀，阿里斯塔克斯對阿那克薩哥拉的想法進行了論證。如果月光是對陽光的反射，他論證道，那麼當太陽、月亮和地球形成一個直角三角形時，必然會出現半個月亮，如圖4所示。阿里斯塔克斯測量了地球分別到太陽和到月亮的連線之間的夾角，然後用三角學算出了地月之間和日地之間距離的比值。他測得的角度為87°，這意味著日地之間距離大約是地月間距離的20倍，而我們前面的計算已經給出了我們到月球的距離。事實上，正確的角度是89.85°，而且太陽要比月球遠400倍，因此阿里斯塔克斯顯然還得為精確測量這個角度繼續努力。同樣，測量的精度不是關鍵，關鍵是希臘人想出了一種有效的方法，這才是關鍵性的突破，更好的測量工具將使得未來的科學家更接近真實的答案。
最後，導出太陽的大小就簡單了，因為一個公認的事實是，日食期間月球幾乎完全遮蓋住太陽。因此，太陽的直徑與日地間距離的比必然等於月亮的直徑與地月間距離的比，如圖5所示。我們已經知道月亮的直徑和它到地球的距離，而我們也知道太陽到地球的距離，因此太陽的直徑很容易計算出。這種方法與圖3所示的方法是一樣的，只不過現在月球取代了那裡的指甲的位置。
圖5 一旦我們知道了太陽的距離，我們就可以估計它的大小。一種方法是利用日全食和我們關於月球的距離和直徑的知識。在地球上，日全食只有在特定時間在某個小區域才可見，因為這時太陽和月亮看起來幾乎有相同的大小。這個圖（未按比例）顯示了地球上的日蝕觀察者如何處在兩個相似三角形的頂點。第一個三角形延伸到月球，第二個三角形到太陽。知道了到月球和到太陽的距離，又知道月球的直徑，因此足以推斷出太陽的直徑。
埃拉托色尼、阿里斯塔克斯和阿那克薩哥拉的驚人成就說明，古希臘的科學思維正在取得進步，因為他們對宇宙的測量依賴的是邏輯、數學、觀察和測量（現代對他們測量的結果修正如表1）。但希臘人真的能夠享有奠定科學基礎的榮耀嗎？那麼巴比倫人在天文學上的貢獻又當如何看待呢？畢竟，作為偉大的、講求實際的天文學家，他們曾進行過數以千計的觀察。科學哲學家和科學史學家普遍認為，巴比倫人不是真正的科學家，因為他們仍然滿足於相信神主宰宇宙和神話解釋。不管怎麼說，比起真正的科學，收集數百種測量結果和羅列數不清的恆星和行星的位置只能算是小打小鬧。科學的志向是要憑借對宇宙基本性質的理解來解釋這些觀察。法國數學家暨哲學家亨利·龐加萊對此說得很到位：“科學是由事實建立起來的，就像房子是用石頭建造的。但事實的收集還不是科學，正像一堆石頭不是一所房子一樣。”
如果巴比倫人不算是第一批原始科學家，那麼埃及人又當如何呢？胡夫大金字塔可是要比帕特農神廟早了兩千年，而且就埃及人發展出的秤、化妝品、油墨、木門鎖、蠟燭和其他許多發明來看，他們肯定遠遠走在了希臘人的前面。然而，這些是技術，不是科學。技術是一種實踐活動，正像上述埃及人的例子所展示的那樣，它們有助於使葬禮變得隆重，促進交易、美容、寫作、安全和照明。簡言之，技術是要讓我們的生活（和死亡）變得更舒適體面，而科學則是單純為了理解世界。科學家們受到的是好奇心的驅使，而不是舒適和實用的驅使。
雖然科學家和技術人員有著非常不同的目標，但是科學和技術經常被混淆為同一件事情，這可能是因為科學發現往往會導致技術上的突破。例如，科學家們花費了數十年做出關於電的發現，而技術專家則借此發明了燈泡和其他許多電力設備。然而，在遠古時代，技術的增長無須得益於科學，所以埃及人可以是成功的技術人員而無須掌握任何科學。當他們釀製啤酒時，他們感興趣的是技術方法和結果，而不是原因，他們不必知道一種原料為什麼或怎樣轉化為另一種物質。他們不具有工序背後的化學或生物化學機制的知識。
因此，埃及人是技術專家，而不是科學家，而埃拉托色尼和他的同事們則是科學家，不是技術專家。二千年後的亨利·龐加萊對古希臘的科學家的意圖做了如下描述：
科學家研究自然不是因為它有用，而是因為他對它感興趣。他之所以對它感興趣，是因為它很美。如果自然不美，它就不值得去理解，如果自然不值得理解，生命就沒有意義。當然，我這裡說的不是那種作用於感官的美，那種品質和外觀之美；我不是要低估這種美，遠離這種美，而是這種美與科學沒有任何關係。我在這裡談的是更深刻的美，它來自各部分之間和諧的秩序，並且只有智力可以把握。
總之，希臘人展示了如何從到太陽的距離的知識去獲知太陽的直徑，而前者又取決於對到月球距離的瞭解，而這則取決於對月球直徑的認識，這種認識又取決於對地球的直徑的認識，地球直徑的獲知則是埃拉托色尼的偉大突破。獲取這些距離和直徑的墊腳石則是由一系列觀察——北迴歸線上深的豎井，地球投射在月球上的陰影，太陽、地球和月球在半月月相期間構成直角三角形的事實，以及月亮在日食期間完全遮住太陽等——鑄就的。除此之外，一些假設，如月光是對太陽光的反射，和科學邏輯框架的初具規模，也是必不可少的條件。科學邏輯的這種架構有其內在的美，這種美體現在如何將各種論據組合在一起，如何將幾個測量結果彼此聯繫起來，以及不同的理論是如何突然被引入來支撐知識大廈的過程中。
完成了最初階段的測量後，古希臘天文學家們現在可以準備考查太陽、月亮和行星的運動了。他們試圖建立一個宇宙的動力學模型，以便辨別各天體之間的相互作用。這將是更深入瞭解宇宙的征途上的下一步。
圓套圓
我們最遙遠的祖先詳細研究了天空，從預測天氣變化、跟蹤時間到辨別方向，應有盡有。他們白天看著太陽穿過天空，晚上盯著接踵而來的星星列隊遊行。他們站立的土地是堅實固定的，所以認為重物都向著靜態的地球運動而不是相反是很自然的事情。因此，古代的天文學家發展出地球中心論的世界觀，就是說，地球是一個讓整個宇宙圍繞它旋轉的靜止的球。
實際上當然是地球繞著太陽運動，而不是太陽繞著地球轉，但沒有人認為存在這種可能性，直到克羅頓的菲洛勞斯參與到論戰裡來。菲洛勞斯是公元前5世紀的畢達哥拉斯學派的門生，他第一個提出地球繞太陽轉而不是相反。在接下來的一個世紀裡，龐杜斯的赫拉克利德斯接過了菲洛勞斯的想法，儘管他的朋友們都以為他瘋了，給他起了個綽號叫paradoxoIog——“矛盾製造者”。給這種宇宙圖像進行最後的潤色的是阿里斯塔克斯，他出生於公元前310年，即赫拉克利德斯去世的同一年。
表1
埃拉托色尼、阿里斯塔克斯和阿那克薩哥拉的測量結果不準確，因此下表引用這些不同距離和直徑的現代的精確值予以修正。
地球的周長40100千米=4.01×104千米
地球的直徑12750千米=1.28×104千米
月球的直徑3480千米=3.48×103千米
太陽的直徑1390000千米=1.39×106千米
地月距離384000千米=3.84×105千米
日地距離1.5億千米=1.50×108千米
此表也可作為指數計數法——一種表示大數的方法——的介紹。宇宙學裡有一些非常非常大的數。
101表示10=10
102表示10×10=100
103表示10×10×10=1000
104表示10×10×10×10=10000
等等
例如，地球的周長可以表示為：40100千米=4.01×10000千米=4.01×104千米。
指數計數法是一種簡潔的表達，否則將需要用很多個零。10N的另一種考慮是省去1後面的N個零，故103是1後面三個零，即1000。
指數計數法也可用於書寫非常小的數：
10-1表示1&pide;10=0.1
10-2表示1&pide;（10×10）=0.01
10-3表示1&pide;（10×10×10）=0.001
10-4表示1&pide;（10×10×10×10）=0.0001
等等
雖然阿里斯塔克斯對測量到太陽的距離有貢獻，但比起他對宇宙的驚人準確的概述，這只能算是一個小小的成就。他試圖清除掉有關宇宙的那種出於直覺的（但卻是不正確的）圖像，即地球是一切的中心的圖像，如圖6（a）所示。與此相反，阿里斯塔克斯的不太顯然（但卻是正確的）圖像是：地球是繞著一個更佔優勢的太陽旋轉，如圖6（b）所示。阿里斯塔克斯還說對了一點：地球繞自身軸線自轉的週期是24小時，這就解釋了我們每個白天面朝太陽，每個夜晚背對著它的原因。
阿里斯塔克斯是一位受人尊敬的哲學家，他的天文學思想眾所周知。事實上，他的太陽中心宇宙論是由阿基米德記錄下來的。阿基米德寫道：“他的假設是：恆星和太陽都是不動的，地球圍繞太陽做圓周運動。”然而，哲學家們完全摒棄了這種非常精準的太陽系圖像，致使太陽中心說的想法在隨後的一千五百年裡消失了。古希臘人被認為是聰明人，但為什麼要拒絕阿里斯塔克斯的有見地的世界觀，而堅持以地球為宇宙的中心呢？
以自我為中心的態度可能是地球中心論世界觀背後的促成因素，但人們之所以偏愛地球中心論的宇宙而不看好阿里斯塔克斯的以太陽為中心的宇宙，還有其他原因。日心世界觀的一個基本問題是它看起來太過荒謬。事情看上去很明顯，太陽每天圍著靜態的地球旋轉而不是相反。總之，以太陽為中心的宇宙有悖於常理。但是，優秀的科學家不應該被常理所左右，因為事情往往是基於科學道理。愛因斯坦就譴責過常識，宣稱它是“18歲之前形成的各種偏見”。
圖6 圖（a）表示的是古典的但不正確的以地球為中心的宇宙模式，其中月亮、太陽和其他行星都繞著地球做軌道運行。甚至幾千顆恆星也繞著地球轉。
圖（b）表示的是阿里斯塔克斯的以太陽為中心的宇宙圖像，其中只有月球繞地球轉。在這種圖像下，恆星形成宇宙的靜態的背景。
希臘人拒絕阿里斯塔克斯的太陽系的另一個原因是它顯然未能經得起嚴謹的檢驗。阿里斯塔克斯建立的宇宙模型應該是符合現實的，但人們並不清楚他的模型是準確的。難道地球真的圍繞太陽在轉？批評者指出，阿里斯塔克斯的太陽中心模式有三個明顯的缺陷。
首先，希臘人認為，如果地球在動，那麼我們就會感覺到始終有風在吹向我們，我們應感覺到腳下的地面在動。然而我們並沒有感覺到這樣的風，也沒有覺得地面在動，所以希臘人的結論是：地球必定是固定不動的。當然，地球確實是動的，我們之所以感覺不到這種掠過空間的速度，是因為地球上的一切都與它一起運動，包括我們自身、大氣和地面在內。希臘人還領悟不了這種說法。
第二個成問題的觀點是，運動的地球與希臘人對引力的理解不相容。正如前面提到的，傳統的觀點認為，一切事物都傾向於向宇宙中心運動，而地球已經處於這個中心，所以地球是不動的。這個理論非常有意義，因為它解釋了蘋果為什麼會從樹上落下來向著地球中心運動，因為它們受到宇宙中心的吸引。但如果太陽是宇宙的中心，那麼為什麼物體會落向地球？相反，蘋果不應該從樹上掉下來，而應該被吸向太陽——事實上，地球上的一切都應該落向太陽才對。今天，我們對引力有了更清晰的認識，這使得日心說的太陽系變得更好理解。現代引力理論描述了大質量地球附近的物體是如何被地球所吸引的，同樣，行星的軌道運行是受到更大質量的太陽的引力使然，然而這樣的解釋超出了希臘人的有限的科學知識範圍。
哲學家們拒絕阿里斯塔克斯的日心宇宙說的第三個原因是，恆星的位置沒有明顯的變化。如果地球繞著太陽飛馳過巨大的距離，那麼我們應該會在一年裡從不同的位置來看宇宙。我們不斷變化的位置意味著從不同的角度看宇宙，我們應該能看到星星之間彼此的相對移動，即所謂的恆星視差。這種局部的視差現象你向正前方伸出一根手指就可感覺到。閉上左眼，用右眼看手指附近的物體，例如窗戶的邊緣，與你閉上右眼，用左眼看同一物體時所看到的對象會有不同，這就是視差。如果你讓兩眼的閉合不斷地來回切換，你會看到手指似乎在跳來跳去。因此，你變換視角，那麼距離手指幾厘米外的物體就會有明顯的位置移動。其圖像如圖7（a）所示。
地球到太陽的距離為1.5億千米，因此如果地球繞太陽轉動，那麼6個月後它距原來的位置將有3億千米遠。希臘人發現，在一年的過程中，根本無法探測到恆星位置的任何相對變化，儘管按照地球繞日轉動說地球位置存在著巨大的變化。證據似乎再次表明，地球是不動的，是處在宇宙的中心這一結論。當然，地球就是不繞太陽運行，也存在恆星視差，但在希臘人看來，這是因為恆星都十分遙遠的緣故。你可以再次進行輪換單眼觀察物體的實驗來體會這種視差減小的效果：現在充分伸展你的手臂，使你的手指在一米開外。再次用你的右眼去看與手指成一直線的窗戶的邊緣。這一次，當你切換到左眼觀看時，你會發現視差變化比以前顯著小了，因為你的手指離得較遠，如圖7（b）所示。總之，地球不動，但視差的變化會隨著距離增大而迅速減小。恆星都非常遙遠，因此恆星的視差無法用原始的設備檢測出來。
圖7 視差是指物體由於觀察者視角變化而出現的位置的視在變化。
圖（a）顯示的是，當用右眼觀察時，手指出現在左窗邊緣，但如果改用另一隻眼睛觀看時，手指則移位到右窗邊緣。
圖（b）顯示，如果手指伸出得較遠，那麼兩眼間切換所造成的視差移位會顯著減小。由於地球圍繞太陽轉動，我們的觀察位置有變化，因此如果我們拿一顆恆星作參照物，那麼在一年的不同時間裡，這顆參考星相對於更遙遠的恆星就會出現位置變化。
圖（c）顯示出標記星是如何隨地球位置的變化而與兩顆不同的背景星構成一直線的。然而，如果圖（c）是按比例繪製的話，那麼這些恆星要畫到頁面外1千米的地方去了！因此，視差的變化是非常非常小的，古希臘人難以察覺到。而希臘人認為星星離得都非常近，所以在他們看來視差缺少變化就意味著地球是靜態的。
當時，反對阿里斯塔克斯的日心宇宙模型的證據似乎是壓倒性的，因此為什麼他的所有哲學家朋友都相信地心模型是完全可以理解的。他們的傳統模式非常有道理、富於理性而且自洽。他們滿足於自己對宇宙的看法，認為自己就處在它的中心位置。然而有一個突出的問題。雖然太陽、月亮和星星看似都乖乖地環繞地球遊行，但有5個天體卻以相當隨意的方式磨磨蹭蹭地橫跨天空。偶爾，它們中的一些甚至敢隨時停下來，然後扭頭做反向運動，即所謂逆行。這些流浪的反叛者是其他5個已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。事實上，“行星”這個詞源自希臘語“pIanetes”，意思是“流浪者”。同樣，巴比倫語裡稱行星叫“bibbu”，字面意思是“野羊”——因為行星似乎滿世界亂竄。而古埃及人稱火星為“sekded-ef em khetkhet”，意思是“一個反向旅行者”。
從我們現代的地球繞日轉動的觀點看，這些天體的流浪漢行為很容易理解。實際上，行星是以穩定的方式繞日運動，但我們是從一個運動的觀測平台——地球——來看它們，這就是為什麼它們的運動看上去似乎是不規則的。特別是火星、土星和木星的逆行表現很容易解釋。圖8（a）展示的是一個只包含了太陽、地球和火星的簡化版太陽系。地球繞日旋轉的速度比火星快，因此當我們趕上火星，並超越它之後，我們觀察火星的視線就會轉換到逆向。然而，從舊的地球中心說的角度來看，我們坐在宇宙的中心，周圍的一切都圍繞著我們轉，這樣火星軌道就成了一個謎。如圖8（b）所示，火星繞地球旋轉時看起來就像是以一種最奇特的方式做著回轉運動。土星和木星也顯示出類似的逆行行為，古希臘人也有過這樣的帶圈軌道的概念。
這些帶圈的行星軌道讓古希臘人很難理解，因為按照柏拉圖和他的學生亞里士多德的觀點，所有的軌道都應該是圓形的。他們宣稱，圓，以其簡單、優美和無始無終的特徵，成為最完美的形狀，因為天堂是完美的境界，因此天體必然做圓周運動。幾個世紀裡，一些天文學家和數學家一直在研究這一問題。他們發展出一套精巧的解決方案——一種根據若干個圓的組合來描述行星的帶圈軌道的方法。它符合柏拉圖和亞里士多德關於圓運動的最完美的要求。這套解決方案與一位天文學家緊密關聯，他就是生活在公元2世紀的亞歷山大城的托勒密。
圖8 從地球上觀看，如火星、木星和土星等行星表現出所謂的逆行運動。
圖（a）顯示的是只有地球和火星繞太陽做（逆時針）軌道運動的簡化版太陽系。從位置1開始，我們看到火星逐漸向著我們運動，到我們處在位置2的觀察點時這種運動一直在持續。但當我們到達位置3時，火星停了下來。當我們到達位置4時，火星表現出右移，這種右移一直持續到地球到達位置5，這時火星再一次停下來，隨後，當我們向位置6和7進發時，它又恢復到其原有的運動方向上。當然，火星本身一直在做逆時針的繞日轉動，但在我們看來，由於地球與火星之間的相對運動，火星走過的是一條“Z”字形路徑。因此在以太陽為中心的宇宙模型裡，逆行是非常合理的。
圖（b）顯示的是地球中心說的信徒所認為的火星軌道。火星的“Z”字形路徑被解釋為實際走過的是帶圓環的軌道。換言之，傳統主義者認為，靜態的地球處在宇宙的中心，而火星環繞地球做套環運動。
托勒密的世界觀的起點是一種在當時普遍持有的假設，即地球處在宇宙的中心並且是固定不動的，否則“所有的動物和所有單獨的重物都將被撇下，飄浮在空中”。接下來，他根據簡單的圓運動解釋了太陽和月亮的軌道。然後，為了解釋逆行，他發展出一套圓套圓的理論，如圖9所示。為了形成週期性的逆行路徑，如前述火星的視在行為，托勒密先是提出單個的圓（所謂均輪），在這個圓上有一根想像的棒，其一端作為支點位於圓上，行星則位於這個棒的另一端。如果主均輪圓固定不動，棒繞其支點旋轉，那麼行星將劃過一個短半徑的圓形路徑（所謂本輪），如圖9（a）所示。反過來，如果主均輪圓轉動而棒保持固定不動，那麼行星將走過一個具有較大半徑的圓形路徑，如圖9（b）所示。現在將二者合起來，棒繞其樞軸轉動，同時又隨主均輪圓一起轉動，這時行星的路徑就將是兩個圓運動的復合，它模擬出逆行的回轉，如圖9（c）所示。
圖9 托勒密的宇宙模型用圓圈組合解釋了如火星等行星的帶圈軌道。
圖（a）顯示了大圓，稱為均輪，和一根想像的棒，其一端位於均輪上，另一端為行星。如果均輪不轉動，而棒轉動，則行星畫出一個較小的實線圓圈，它稱為本輪。
圖（b）表示，如果棒保持固定，均輪轉動，這時行星畫出一個大半徑的圓。
圖（c）表示，當棒繞其樞軸轉動，同時又隨均輪一起轉動。此時行星的軌道是兩個圓形路徑的組合，這導致帶圈的逆行軌道。如圖中火星軌道所示。均輪和本輪的半徑皆可調整，二者的轉速也能夠調整使得模型可以模擬任何行星的路徑。
雖然圓和支點的描述傳遞出托勒密模型的核心思想，但這個模型實際上要複雜得多。首先，托勒密的模型是三維的，需要用水晶球來構建，但為了簡單起見，我們將繼續從二維圓的角度來考慮。另外，為了準確解釋不同行星的逆行，托勒密必須仔細調整均輪的半徑和每顆行星的本輪的半徑，並選好每個轉動的速度。為了獲得更高的精確度，他引入了另外兩個變量：偏心和對點。偏心定義為這樣一個點，它位於地球的一側，充當均輪圓的稍微偏離地球中心的圓心，而對點定義為圓心附近與地球位置相對且等距的另一個點，其作用是促成行星變速。對行星軌道的這種越來越複雜的解釋變得讓人很難想像，但其實質無非就是在圓上疊加更多的圓。
對於托勒密的宇宙模型，我們可以在遊樂場找到它的最好的類比。月亮走過的是一個簡單的路徑，有點像一個為幼兒準備的相當溫和的旋轉木馬。而火星的軌道更像是一個瘋狂的華爾茲單車，車手被鎖定在搖籃裡，搖籃的支點在很長的旋轉臂的末端。當搖籃自轉時騎手劃過一個圓形路徑，但同時，搖籃跟隨旋轉臂劃過另一個更大的圓形路徑。有時這兩個運動相結合，形成一個更大的前進速度，而有時搖籃相對於轉臂向後移動，總體速度減慢甚至逆轉。在托勒密的術語裡，搖籃在本輪裡打轉，而長臂描繪出的就是均輪。
托勒密的地心宇宙模型完全是遵從這樣一種信念來構造的：一切都圍繞著地球轉動，所有天體的運行軌道都是圓。由此產生了一個複雜得離譜的模型，其中充滿了堆在均輪上的本輪，既有對點又有偏心。在阿瑟·庫斯勒寫的《夢遊》這本描述早期天文學史的書裡，托勒密模型被描述成“疲乏的哲學和頹廢的科學結合的產物”。然而，托勒密系統儘管有根本性錯誤，但它滿足一個科學模型所必須具備的一項基本要求，那就是它所預言的每顆行星的位置和運動的精確度要比以往任何模型都高。即使是阿里斯塔克斯的日心宇宙模型，儘管在根本上是正確的，但它無法以這種精確性來預言行星的運動。所以，說一千道一萬，最後之所以還是托勒密模型堅挺了下來而阿里斯塔克斯的模型消失了，就不足為奇了。表2總結了兩種模型的主要優缺點，正如古希臘人所理解的那樣，它只會加強地心模型的明顯優勢。
托勒密的地心模型被寫進了他的《至大論》（“集大成”），一本寫於約公元150年的皇皇巨著，它一面世便成為隨後幾百年裡天文學最權威的典籍。事實上，在下一個千年裡，歐洲的每一位天文學家都深受《至大論》的影響，沒有人認真質疑過其地心宇宙圖像。公元827年，《至大論》的影響進一步擴大，它被翻譯成阿拉伯文，並改名為《天文學大成》（“最偉大的書”）。因此，在歐洲中世紀經院哲學盛行的停滯時期，托勒密的思想依然保持活力，並得到中東地區偉大的伊斯蘭學者的研究。在伊斯蘭帝國的黃金時期，阿拉伯天文學家發明了許多新的天文儀器，取得了一批重要的天體觀測結果，並建立起幾座主要的天文台，如位於巴格達的沙馬希亞（AL-Shammasiyyah）天文台，但他們從來沒有懷疑過托勒密的由一個圓套著一個圓來給出行星軌道的地心宇宙學說。
隨著歐洲終於開始從知識沉睡中醒來，古希臘人的知識取道西班牙托萊多的莫裡斯城（這裡有一座宏偉的伊斯蘭圖書館）重新回歸西方。1085年，西班牙國王阿方索六世從摩爾人手中奪取了這座城市，於是歐洲各地的學者有了前所未有的機會來獲取當時世界上最重要的知識寶庫裡的信息。圖書館裡的大多數書籍都是用阿拉伯文寫的，因此首要任務是建立工業規模的翻譯局。大多數譯者在中間人的幫助下，先將阿拉伯語翻譯成西班牙語的白話文，然後他們再翻譯成拉丁語。當時最多產和最傑出的譯者之一是克雷莫納的傑拉爾德，他學會了阿拉伯語，因此能夠更直接、更準確地理解原文。他是被傳聞吸引到托萊多來的，當時有傳聞說托勒密的代表作在這裡的圖書館被發現。於是他將這套有76卷的原創性著作從阿拉伯文翻譯成拉丁文，《天文學大成》成為他譯述中最重要的成就。
由於傑拉爾德和其他譯者的努力，歐洲學者們得以能夠重獲他們的先人過去的作品，並為歐洲的天文學研究注入新的活力。但矛盾的是，進步反而遭到扼殺，因為在當時，古希臘人的著作受到如此尊崇，以至於沒人敢質疑他們的工作。人們想當然地認為，古典學者已經掌握了所能理解的一切，所以像《至大論》這樣書被奉為福音。不管你怎麼想，事實上古人曾犯下一些大得離譜的錯誤。例如，亞里士多德的著作被奉為神聖，儘管他曾說，男人的牙齒比女人多，因為這是他基於對公馬的牙齒比母馬多的觀察所做出的推論。雖然他結過兩次婚，但亞里士多德顯然從來不曾想到去看看他妻子的嘴。他可能是一個高級邏輯學家，但他未能掌握觀察和實驗的概念。具有諷刺意味的是，學者們等了幾百年才讓古人的智慧重見天日，接著他們又不得不花費幾個世紀來清除古人的所有錯誤。事實上，在傑拉爾德於1175年譯完《天文學大成》後，托勒密的地心宇宙模型又完好無損地持續了另一個400年。
表2
該表列出了用以判斷地心說和日心說的各種判據，這些判據是基於公元第一個千年裡人們所掌握的知識。“√”和“×”給出的是該理論得到相應判據的認可性，問號“？”表明該項判據缺乏數據或難以判斷。從古代的觀點來看，日心說僅在一個判據（簡單性）上勝過競爭對手，儘管我們現在知道它更接近於事實。
然而在此期間，有過一些小的批評，這些批評意見還是來自像阿方索十世[卡斯蒂利亞和萊昂的國王（1221年至1284年）]這樣的大人物。在定都托萊多後，他指示他的天文學家制定後來被稱為行星運動的《阿方索星表》，這部星表的編纂部分基於他們自己的觀察，部分是基於翻譯過來的阿拉伯星表。雖然他為天文學提供了強有力的支持，但阿方索對托勒密的錯綜複雜的由均輪、本輪、對點和偏心等概念構成的系統絕對是始終沒好感：“如果萬能的耶和華在著手創世之前問過我，我會推薦那些更簡單的東西。”
隨後，到14世紀，尼可·德奧雷姆——法國查理五世時期的一位神父——公開表示，地心宇宙沒有得到充分證明，儘管他還沒有走得太遠，膽敢認為它是錯誤的。但在15世紀的德國，庫薩的樞機主教尼古拉斯則認為地球不是宇宙的中心，但他點到即止，沒敢暗示太陽應該佔據這個空出的寶座。
整個世界就這樣不得不等到16世紀，這時一位天文學家鼓足勇氣重新安排了宇宙，並對希臘人的宇宙學提出了嚴肅的挑戰。這位最終重塑阿里斯塔克斯的日心宇宙的人就是尼古拉·哥白尼。
革命
哥白尼於1473年出生在托倫（位於現今波蘭的維斯瓦河沿岸）的一個繁榮興旺的大家庭裡。他之所以能選為弗龍堡大教堂教團的教士，很大程度上要歸功於他的叔叔盧卡斯，他是埃姆蘭的主教。在意大利學完法律和醫學後，哥白尼作為教士的主要職責是充當盧卡斯的醫生和秘書。這些不是繁重的職責，因而哥白尼有的是時間從事各種活動。他成為貨幣改革領域的經濟學專家和顧問，甚至出版了他自己翻譯的不起眼的希臘詩人泰奧菲拉克塔斯（TheophyIactus Simocattes）的拉丁文譯本。
然而，哥白尼的最大愛好是天文學，他在當學生時買了一冊《阿方索星表》，自此他的興趣便被天文學牢牢抓住了。這個業餘的天文學家變得越來越癡迷於研究行星的運動，他的想法最終使他成為科學史上最重要的人物之一。
令人驚奇的是，哥白尼的所有天文學研究都集中在1.5卷的出版物中。更令人驚訝的是，就這1.5卷的出版物在他生前還幾乎沒人讀過。這裡的半卷是指他的第一部作品《簡評》，這是部手稿，從沒有正式發表過，只是在大約1514年間在少數人當中傳閱過。儘管如此，在這短短20頁裡，哥白尼以一千多年來天文學中最激進的想法震撼了宇宙。他的這本小冊子的核心是他的宇宙觀賴以建立的7條公理：
1.天體不共享同一個中心。
2.地球的中心不是宇宙的中心。
3.宇宙的中心在太陽附近。
4.與地球到恆星的距離相比，地球到太陽的距離是微不足道的。
5.恆星的週日視運動是地球繞自身的軸自轉的結果。
6.太陽的週年視運動序列是地球繞其轉動的結果，所有行星都繞太陽旋轉。
7.一些行星的表觀逆行，只是我們作為觀測者在運動的地球上位置不斷變化的結果。
哥白尼的公理在各個方面均有見證。地球確實在自轉，地球和其他行星也確實在環繞太陽運動，這確實能解釋逆行的行星軌道，同時，沒有發現任何恆星視差是由於恆星過於遙遠。目前還不清楚是什麼促使哥白尼制定出這些公理，並與傳統的世界觀分離，也許他是受到多梅尼科·瑪麗亞·諾瓦拉的影響，後者是他在意大利時的一位教授。諾瓦拉保持畢達哥拉斯學派的傳統，這一傳統也是阿里斯塔克斯哲學的根源，而正是阿里斯塔克斯在1700年前最先提出了日心說。
《簡評》是天文學領域發生反叛的一道宣言，是哥白尼對古代的托勒密模型的醜陋的複雜性表示沮喪和失望的宣洩。後來他這麼譴責地心說的臨時性質道：“這就像一個藝術家為他要創作的形象從不同模型那裡收集來手、腳、頭和其他肢體，每個部分都繪製得很好，但都與一個整體不搭，因為它們無法以任何方式彼此匹配，結果則只能是一個怪物，而不是一個人。”然而，儘管內容激進，但這本小冊子卻沒有在歐洲的知識分子中造成波動，這部分是因為沒有幾個人看過它，部分是因為它的作者是一個處在歐洲邊緣的年輕教士。
哥白尼並沒有氣餒，因為這是他改造天文學努力的開始。在他叔叔盧卡斯於1512年去世（很有可能是被條頓騎士團毒死的，他們形容他是“人形魔鬼”）之後，他有更多的時間去從事自己的研究。他搬到了弗龍堡城堡，在那裡建立了一座小型天文台，集中精力充實他的論證，補充了《簡評》所缺少的所有數學細節。
在接下來的30年裡，哥白尼反覆修改他的《簡評》，將它擴充成一部有200頁的權威手稿。縱觀這段長時間的研究，他花了大量時間來考慮其他天文學家會對他的宇宙模型做出怎樣的反應，這個模型從根本上違背了公認的智慧。很多時候，因為擔心會遭到來自四面八方的嘲笑，他甚至考慮放棄出版他的著作的計劃。此外，他懷疑神學家瞭解了這種褻瀆性的科學猜測後會變得根本無法容忍。
他的擔心是有道理的。教會後來在迫害意大利哲學家吉爾達諾·布魯諾——哥白尼後一代的持不同觀點者——這件事情上就顯示了它的不能容忍的態度。宗教裁判所指控布魯諾犯有8項異端邪說罪名，但現存的記錄並沒指明是哪8項。歷史學家認為，這很可能是布魯諾寫的《無限宇宙和世界》一書冒犯了教會。這本書認為宇宙是無限的，恆星都有自己的行星，在這些行星上都存在蓬勃的生命演化。當判處他死刑時，他回答說：“或許判處我死刑的人比我更害怕接受這個事實。”1600年2月17日，他被帶到羅馬的鮮花廣場，脫得一絲不掛，堵上嘴，綁在火刑柱上被活活燒死。
哥白尼對這種迫害的恐懼原本可能使他過早地結束他的研究，但幸運的是，來自維滕堡的一位年輕的德國學者進行了干預。1539年，格奧爾格·約阿希姆·馮·勞琛，即著名的雷蒂庫斯，來到弗龍堡找到哥白尼，想瞭解有關他的宇宙模型的更多的細節。這是個勇敢的舉動，因為這位年輕的路德教學者不僅很可能會在天主教的弗龍堡遭到冷遇，而且他自己教派的同事們也不同情他的使命。馬丁·路德記下了當時的境遇，他存有關於哥白尼的餐桌談話記錄：“有傳聞說新的天文學家想證明地球在運動，轉動的不是天空、太陽和月亮，（現有的天文學）就好像某個坐在馬車或輪船上的人，可能會認為他靜止地坐著，而大地和樹木在行走……這個傻瓜想推翻整個天文學。”
路德稱哥白尼是“違背聖經的傻瓜”，但雷蒂庫斯卻像哥白尼一樣有著不可動搖的信念：探索天體真理的道路由科學奠定而不是聖經。66歲的哥白尼因為25歲的雷蒂庫斯的關注而感到心裡美滋滋的。雷蒂庫斯花了三年時間在弗龍堡閱讀哥白尼的手稿，向他提供閱讀後的意見，並和他一樣對這一理論有信心。
到1541年，雷蒂庫斯在對外交往和天文學技能方面的綜合能力已經成熟到足以讓他獲得哥白尼的信任，於是受哥白尼委託他將手稿交由紐倫堡的約翰內斯·彼得雷烏斯印刷所出版。他計劃留下來監督整個印刷過程，但因為急事被突然叫走去了萊比錫，臨行前他將監督出版的責任移交給了一個名叫安德烈亞斯·奧西安德爾的牧師。最後，在1543年春天，《天球運行論》（“論天球的旋轉”）一書終於出版了，幾百本新書啟程送往哥白尼的住處。
在此期間，哥白尼在1542年底已遭受腦出血，他躺在床上頑強地與死神抗爭，要親眼見到耗費他一生心血的專著面世。他的大作到達得正是時候。他的朋友吉澤主教給雷蒂庫斯寫了一封信描述哥白尼當時的困境：“很多天裡，他的記憶已經喪失而且神志不清。直到去世那天，他在彌留之際才看到自己的完整的作品。”
哥白尼已完成了他的職責。他的著作為世界提供了有利於阿里斯塔克斯日心模型的有說服力的論據。《天球運行論》是一本巨著，但在討論它的內容之前，先說明圍繞其出版前後的兩個錯綜複雜的謎團是很重要的。第一個涉及哥白尼的不完全的致謝。《天球運行論》的序言提到了幾個人，如教皇保羅三世、卡普亞的紅衣主教和庫爾姆的主教，但沒有提到雷蒂庫斯這位傑出的徒弟，他為哥白尼模型的誕生發揮了助產士的重要作用。歷史學家都百思不得其解，為什麼他的名字被省略了？他們只能推測，計入一個新教教徒的貢獻可能會引起天主教高層的不滿，而哥白尼正試圖打動這些高層人士。致謝中的這一缺失使得雷蒂庫斯感到被冷落，因此在《天球運行論》出版後他再也沒跟這本書打過交道。[2]