自然規律不可改變，無情的大自然不會關心你是否了解它的行為和運作方式——伽利略

科學的發展根植於這樣一種思想，即：人們相信所有自然現象都可以被理論合理的解釋，如果我們想知道宇宙中任何一件事物的運作方式，我們首先要提出正確的問題，然後通過觀察、實驗去尋找規律，最後總結答案！那麼關於夜空就有一個比較深刻的問題，像下圖那樣旋轉的夜空，我們人類是怎樣知道是地球在運動，還是整個天穹在繞地球運動？或者說我們如何用已知的物理知識判斷地球在宇宙中的運動方式？

地球在轉還是天球在轉？

這其實就牽扯到了日心說和地心說！都是旋轉，就看到底是誰繞著誰轉。單從上圖中的觀察結果來看，對此我們有兩種直接的解釋，但是僅從圖片上我們還無法區分它們的對錯：

整個天空以及其中的所有星星（包括太陽），以24小時為週期圍繞地球旋轉，導致了我們在地球上觀察到星星的位置在持續發生變化。據我們的觀察，整個天空都是靜止的，出現旋轉是因為地球在運動。

以上兩種思想現在看來十分幼稚，但這是我們人類科學史的開端，並且爭論了幾個世紀，也付出了慘痛的代價！這兩種說法雖然都能合理的解釋為什麼夜空會旋轉，但這兩種模型彼此之間在本質上有很大的不同。

上圖：以地球為中心的天球運動和我們現在熟知的地球運動方式

通過觀察和解釋這兩種截然不同的模型，可以幫助我們判斷哪一種模型是正確的；哪一種是錯誤的。我們知道圍繞天球旋轉的恆星並不是我們在地球上唯一可以觀測到的現象。

那麼我們還能看到什麼？可以給我們提供線索，來判斷是地球在轉還是天球在轉？雖然天空中的星星總是在夜晚做同樣的旋轉運動，但我們仔細觀察就會發現夜空中可見的星星（星座）以及它們的位置，在一年中會發生很大的變化。

一年中天空中的星座會發生變化

我們在夏天和冬天會看到不同的星座，還記得你在寒冷的夜裡仰望獵戶座嗎？我們現在知道這與太陽和地球的位置有關。當太陽在夏季的白天出現時，冬季的星座會被太Sunny完全遮蔽，當夜幕降臨時，太陽是不擋我們的視線了，但我們又背對冬季的星座，因此只能看見夏季的星座（最典型的就是夏季大三角）。相反，夏季的星座在冬季白天時候會被太陽遮擋，而冬季的星座則在夜晚會更加突出。也就是說我們只能在夏天或冬天的時候看見一面天空中的星座。

如果地球確實是靜止不動的就像上圖那樣，太陽每天必須繞地球一週，我們才會有白天和黑夜，但不論太陽怎麼轉，這樣都無法解釋地球各個地區不同的四季的變化，也無法解釋夏季和冬季在天空中看到的不同星座。

如果地球動起來，可以圍繞太陽運動（看上圖），這就解釋了為什麼不同的星座在一年中的不同時間會出現在夜空中（這也就是我們幾月出生就是什麼星座），也解釋了地球各地的四季變化。現在我們在來看看太陽一年中在天空中的位置變化。

在地球上，如果我們生活在遠離赤道的位置，那麼太陽一年的時間裡在天空中的路徑，每天劃過的弧線會發生很大的變化。

太陽出現在天頂最靠近地平線的位置，也就是一年中最低的位置說明這一天是冬至，而太陽出現在一年中天頂的最高點，那麼這一天就是夏至。

那麼在“地球靜止的”模型中，太陽需要在一年中大幅度的改變在天球中的位置：除了每天繞地球一週以外（為了解釋晝夜交替），還需要每六個月改變相對於天球的位置高達，這意味著太陽在天球中的軌道每六個月要上下襬動47度。還需要解釋穩定的四季變化，這個模型真的很亂，沒有科學理論支撐。

如果我們允許地球地球繞太陽公轉，同時繞著傾斜的軸自轉。同時自轉和公轉可以是兩個獨立的量，這就可以解釋天（地球自轉週期）和年（地球公轉週期）在時間尺度上的巨大差異。也可以解釋太陽一年中在天空的位置變化。讓我們再加入一個物體：月球。

和太陽一樣，月球在天空中也沿著一條非常相似的路徑執行運動：東邊升起，西邊落下，每天起落一次。而且也相對於背景恆星在移動，大約每29到30天完成一週繞地球運動。

雖然月球與太陽黃道平面之間的傾角相差不超過5度，但滿月與太陽在天空中的位置存在著巨大的差異。在夏至當太陽到達地平線以上最高的位置時，滿月就會出現在地平線上的最低位置。在冬至當太陽達到最低高度時，滿月就會達到地平線上的最大高度！不理解的可以參考上圖，月球和黃道平面的夾角，是導致滿月位置和太陽位置差異的關鍵。

如果地球要保持完全靜止，我們就需要再次把月球放進地心說的天球軌道，就像下圖那樣！這樣我們就無法解釋月食和日食的成因。

但如果我們允許地球在運動（下圖），月球的軌道和黃道有大約5°的傾角繞地球公轉，地球帶著月球繞太陽公轉，這不僅可以用地球的自轉來解釋恆星、月亮和太陽相對於地球天空的日常運動（恆星旋轉、東起西落），你還可以解釋月球和太陽相對於天空其餘部分的運動。

如果我們還堅持地球是靜止不動的，而天球在旋轉，我們有了晝夜交替，就沒有四季變化，也沒有日食也月食。

這正是我們熟知的托勒密地心模型，雖然描述了天體的運動，但托勒密並沒有給出一個合理的科學解釋，而且這個模型相當複雜。這就是為什麼我們需要開普勒三大定律以及牛頓的萬有引力來解釋為什麼天空中的物體無時無刻都在運動以及地球在宇宙中的運動方式，並解釋為什麼月球接近夏至滿月的路徑（在5度的誤差範圍內）與太陽在冬至的路徑基本相同。

萬有引力理論以及與之相關的日心模型，在科學上比之前關於太陽系的描述更具有科學性和預測性，而且後來對於理論的預測也得到了地面和天空的實驗、觀測的證實。這就是為什麼我們不僅斷定地球在運動，而且認為地球的運動方式以及其他主要的天體，決定了我們在天空中看到所有現象。