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1506年哥白尼回到祖國，在弗羅恩堡大教堂擔任教士。從此，他獲得了一定的物質保障與充裕的時間，來從事他所爇愛的科學研究工作。
為了研究方便，哥白尼特意選擇了教堂圍牆上的箭樓作宿舍兼工作室，在裡面設定了一個小小的天文臺，用自製的簡陋儀器，開始了長達30年的天體觀測。正是在這裡，他寫下了震驚世界的鉅著《天體執行論》，其中選用的27個觀測事例，就有25個是他在這個箭樓上觀測記錄的。
《天體執行論》共有6卷。在書中，哥白尼大膽地提出：&ldo;太陽是宇宙的中心，所有行星都圍繞太陽運轉；地球不是宇宙的中心，而是繞太陽運轉的一顆普通行星。&rdo;
&ldo;人們每天看到的太陽由東向西執行，是因為地球每晝夜自轉一週的緣故，而不是太陽在移動。&rdo;
&ldo;天上的星體的不斷移動，是因為地球本身在轉動，而不是星體圍繞著靜止的地球轉動。&rdo;
&ldo;火星、木星等行星在天空中有時順行，有時逆行，是因為它們各依自己的軌道繞太陽轉動，而不是因為他們行蹤詭秘。&rdo;
&ldo;月亮是地球的衛星，一個月繞地球轉一週。&rdo;
哥白尼還在這本書中批判了托勒密地球是靜止的理論。指出地球在運動時，人們只所以覺得是整個宇宙在轉動，猶如人在行船上，不覺船動而覺得陸地和城市後退一樣。地球不動是假像，地球繞太陽轉動才是真實。
哥白尼知道，他的&ldo;太陽中心說&rdo;必將給封建教會以沉重的打擊，必將暴露上帝創造世界說法的荒謬。所以他躊躇了很久，直到他已是69歲的老人時，才同意將他的《天體執行論》出版。1543年5月的一天，當拿到這本書時，他已經癱瘓在床一年多了，他只摸了摸書的封面，便欣慰地閉上了眼睛。
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