Teorías tempranas

La mecánica celeste tiene sus inicios en la astronomía temprana en la que se observaron y analizaron los movimientos del Sol, la Luna y los cinco planetas visibles a simple vista: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. La palabra planeta se deriva de la palabra griega para vagabundo, y era natural para algunas culturas elevar estos objetos que se mueven contra el fondo fijo del cielo al estado de dioses; este estado sobrevive en cierto sentido hoy en la astrología, donde se cree que las posiciones de los planetas y el Sol influyen de alguna manera en la vida de los individuos en la Tierra. El estado divino de los planetas y su supuesta influencia en las actividades humanas puede haber sido la motivación principal para observaciones cuidadosas y continuas de los movimientos planetarios y para el desarrollo de esquemas elaborados para predecir sus posiciones en el futuro.

El astrónomo griego Ptolomeo (que vivió en Alejandría alrededor del año 140 d.c.) propuso un sistema de movimiento planetario en el que la Tierra estaba fija en el centro y todos los planetas, la Luna y el Sol orbitaban alrededor de ella. Como lo ve un observador en la Tierra, los planetas se mueven a través del cielo a una velocidad variable. Incluso invierten su dirección de movimiento de vez en cuando, pero reanudan la dirección de movimiento dominante después de un tiempo. Para describir este movimiento variable, Ptolomeo asumió que los planetas giraban alrededor de pequeños círculos llamados epiciclos a una velocidad uniforme, mientras que el centro del círculo epicíclico orbitaba la Tierra en un círculo grande llamado deferente. Otras variaciones en el movimiento se explicaron compensando los centros de la deferente para cada planeta de la Tierra por una corta distancia. Al elegir la combinación de velocidades y distancias adecuada, Ptolomeo fue capaz de predecir los movimientos de los planetas con una precisión considerable. His scheme was adopted as absolute dogma and survived more than 1,000 years until the time of Copernicus.

Nicolás Copérnico asumió que la Tierra era solo otro planeta que orbitaba alrededor del Sol junto con los otros planetas. Demostró que este modelo heliocéntrico (centrado en el Sol) era consistente con todas las observaciones y que era mucho más simple que el esquema de Ptolomeo. Su creencia de que el movimiento planetario tenía que ser una combinación de movimientos circulares uniformes lo obligó a incluir una serie de epiciclos para que coincidieran con los movimientos en las órbitas no circulares. Los epiciclos eran como términos de la serie de Fourier que se utilizan para representar movimientos planetarios hoy en día. (Una serie de Fourier es una suma infinita de términos periódicos que oscilan entre valores positivos y negativos de una manera suave, donde la frecuencia de oscilación cambia de término a término. Representan aproximaciones cada vez mejores a otras funciones a medida que se mantienen más y más términos. Copérnico también determinó la escala relativa de su sistema solar heliocéntrico, con resultados que se acercan notablemente a la determinación moderna.Tycho Brahe (1546-1601), que nació tres años después de la muerte de Copérnico y tres años después de la publicación del modelo heliocéntrico del sistema solar de este último, todavía abrazaba un modelo geocéntrico, pero solo tenía el Sol y la Luna orbitando la Tierra y todos los demás planetas orbitando el Sol. Aunque este modelo es matemáticamente equivalente al modelo heliocéntrico de Copérnico, representa una complicación innecesaria y es físicamente incorrecto. La mayor contribución de Tycho fueron los más de 20 años de observaciones celestiales que recopiló; sus mediciones de las posiciones de los planetas y estrellas tuvieron una precisión sin precedentes de aproximadamente 2 minutos de arco. (Un minuto de arco es 1/60 de grado.)