Układ heliocentryczny

Wielu astronomów podejrzewało, że ruch ciał niebieskich powinien dać się wyjaśnić w prosty sposób. Pierwszą osobą, która zaproponowała model heliocentryczny (z greckiego helios - Słońce) był żyjący w II w. p.n.e. Arystarch z Samos. Zauważył on, że dziwne zachowanie planet można wyjaśnić przez umieszczenie w centrum świata nie Ziemi (jak pirwotnie uważano), a Słońca. Okaże się wtedy, że ruch planet widziany z również poruszającej się Ziemi może przypominać ten dziwny ruch, który obserwują astronomowie. Teoria ta dobrze tłumaczyła zjawiska obserwowane na niebie, jednak nie została przyjęta ponieważ wyprzedzała ona swoje czasy. W starożytności zbyt słabo rozwinięta była fizyka a przez to zwolennicy teorii heliocentrycznej nie umieli odpowiedzieć na zarzuty, stawiane im przez zwolenników teorii geocentrycznej. Nie umiano wtedy wyjaśnić jak to się dzieje, że choć Ziemia wiruje dookoła własnej osi to jednak siła odśrodkowa nie powoduje wyrzucenia wszystkich znajdujących się na niej przedmiotów w przestrzeń kosmiczną. Starożytni nie potrafili również zrozumieć jak to się dzieje, że chociaż Ziemia, obiegając Słońce porusza się z dużą prędkością to jednak nie "ucieka" ona od latających w powietrzu ptaków. Poza tym starożytni astronomowie i filozofowie przewidywali, że gdyby Ziemia poruszała się to gwiazdy, widoczne z różnych kierunków powinny zmieniać swoje wzajemne położenie.

Po Arystarchu z Samos model heliocentryczny został zapomniany na siedemnaście wieków. Na nowo odkrył go dopiero polski uczony, Mikołaj Kopernik. Mikołaj Kopernik żył w latach 1473-1543 i był nie tylko astronomem, ale również matematykiem, lekarzem, prawnikiem, tłumaczem poezji włoskiej i ekonomistą. Pochodził on z rodziny wywodzącej się z mieszczan krakowskich. Urodzony w Toruniu studiował w Krakowie (1491-95), następnie w Bolonii, Padwie i Ferrarze, gdzie w 1503 doktoryzował się z prawa kanonicznego. Po powrocie do Polski zamieszkał w Lidzbarku Warmińskim jako lekarz i sekretarz swojego wuja, Łukasza Watzenrode, biskupa warmińskiego.

System stworzony przez Kopernika i przedstawiony w dziele p.t. „O obrotach ciał niebieskich” zakładał, że w środku świata znajduje się nieruchome Słońce. Dookoła niego po kołowych orbitach poruszają się planety i Ziemia. Jak widać system ten przypomina model zaproponowany przez Arystarcha z Samos. Przewagą Kopernika było jednak dokładne dopracowanie naukowe swojego pomysłu i wykazanie, że tak stworzony model może mimo swojej prostoty rzeczywiście dawać dobre przewidywania, podczas kiedy koncepcja Arystarcha była tylko pomysłem pozbawionym naukowego opracowania. Mimo, że umieszczenie Słońca w centrum Wszechświata uprościło sytuację Kopernik nie mógł całkowicie zrezygnować ze stosowania epicykli. Pomimo to jednak jego system zawierał ich znacznie mniej i był prostszy od geocentrycznego systemu Ptolemeusza.

System heliocentryczny przywrócił astronomii prostotę, mimo to miał jednak wielu przeciwników. Przede wszystkim wydaje się on być sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem, bo przecież każdy widzi co rano Słońce, które wychyla się zza horyzontu a później wędruje po niebie. W tej sytuacji twierdzenie, że jest ono nieruchome brzmiało niedorzecznie. Trzeba też pamiętać, że w czasach Kopernika teoria Ptolemeusza cieszyła się wielkim autorytetem wspieranym przez Kościół i podważanie go trąciło herezją. Przeciwnicy Kopernika często powoływali się na Biblię, między innymi na fragment, w którym Bóg na prośbę Jozuego zatrzymuje na kilka godzin Słońce - a przecież nie można zatrzymać czegoś, co się nie porusza.

Pomimo, że przed Kopernikiem byli już astronomowie którzy wykazywali, że Ptolemeusz w swoich obliczeniach popełniał błędy księga Kopernika była źle przyjęta przez naukę i Kościół. Pomimo, że dzieło było dedykowane papieżowi Pawłowi III to jednak zwolennicy teorii Kopernika popadali w konflikty z władzami kościelnymi a samo dzieło w 1616 znalazło się na indeksie ksiąg zakazanych, skąd zostało usunięte w 1828. Doświadczalne potwierdzenie ruchu orbitalnego Ziemi uzyskano dopiero w latach 20. XVIII w., po odkryciu przez J. Bradleya aberracji astronomicznej.

Teoria Kopernika nie odrzucała całkowicie założenia, że planety poruszają się ruchem kołowym po epicyklach które krążą po własnych, kołowych orbitach czyli deferentach. Odrzucenie teorii epicykli stało się możliwe dopiero kiedy przyjęto, że tory planet nie są okręgami lecz elipsami. Wprowadziło to dalsze uproszczenie do modelu układu słonecznego. Orbity eliptyczne wprowadził do astronomii niemiecki astronom i matematyk Johannes Kepler. Sformułował on również trzy prawa, zwane od jego nazwiska prawami Keplera, opisujące ruch planet.

Pierwsze prawo Keplera: Orbita każdej planety jest elipsą, przy czym Słońce znajduje się w jednym z jej ognisk.

Drugie prawo Keplera: Promień wodzący planety zakreśla w równych odstępach czasu równe pola.

Trzecie prawo Keplera: Drugie potęgi okresów obiegu planet wokół Słońca są wprost proporcjonalne do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca.

Model stworzony przez Kopernika i Keplera daje dobry opis ruchu ciał niebieskich. Nie mówi on jednak nic o przyczynie tych ruchów. W czasach, gdy żyli ci uczeni panował pogląd, że ciała niebieskie nie podlegają prawom fizyki ziemskiej. Hipotezę, że świat stanowi jedność i że zachowanie kuli armatniej opisują te sama prawa, które opisują również ruchy planet jakom pierwszy wysunął żyjący w latach 1643-1727 Izaak Newton. Uczony ten doszedł do wniosku, że gdyby na planetę nie działała żadna siła to musiałaby ona poruszać się po linii prostej (albo pozostawać w spoczynku). W związku z tym, skoro planety poruszają się po elipsach to prawdopodobnie działa na nie jakaś siła, zakrzywiająca ich tor. Newton domyślił się, że źródłem tej siły jest Słońce i że natura tych jest taka sama jak natura sił powodujących spadanie ciał na powierzchnię Ziemi. Newton nazwał je siłami grawitacji czyli wzajemnego przyciągania i sformułował prawo mówiące, że każde dwa ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.