从托勒密到开普勒，人类对天体运动规律的认识经历了质的飞跃。先是托勒密总结前人的天文研究成果，形成地心说，后是哥白尼提出日心说，再是开普勒对日心说的定量描述。

托勒密，生于公元85年。是公元127～151年在亚历山大城进行天文研究最重要的人物之一，也是影响人类达1000余年之久的“地心说”理论的集大成者和代表者。

托勒密的地心理论，用了近80个以地球为圆心的同心球壳来解释天体运动。它的宇宙理论的基础就是，地球是宇宙的中心。当时的教会依据他的理论，提出了宇宙结构的“多重天理论”把宇宙看成是以地球为中心的多个同心球壳，上帝居于球壳的最高层，统治和主宰着宇宙万物。运用托勒密的理论，能对一些天文现象作出比较合理的解释，能够反映一定的天体运行状况，最主要的是托勒密的天文理论符合教会麻痹人民，确定上帝至高无上地位的需要，被当时的教会统治者奉为“金科玉律”，得以广泛流传。

托勒密的天文理论，其中有科学的成分，也不乏缺少有力的事实依据的推测与杜撰，特别是将地球作为宇宙的中心，这是根本性的错误。这对他个人和对人类，都是一个悲剧。公元165年，托勒密逝世。

托勒密逝世1000多年后的1473年2月19日，哥白尼出生在波兰维斯瓦河畔的托伦，大学毕业后的哥白尼主要从事天文观测和研究。

哥白尼的毕生成果是其巨著《天体运行论》，讲述了地球的运动和宇宙的构造，驳斥了托勒密的地球是宇宙中心的理论。哥白尼天文理论的基本观点是，太阳屹立在宇宙的中心，行星围绕着太阳运行。离太阳最近的是水星，其次是金星，再次是地球。月亮绕着地球运行，是地球的卫星。比地球离太阳远的行星，依次是火星、木星和土星。行星离太阳越远，运行的轨道半径就越大，周期就越长。在行星的轨道外面，是布满恒星的恒星天。哥白尼理论的不足之处，是把太阳当成是宇宙的中心，这是历史的局限性。今天的人们都知道，太阳只是太阳系的中心。

哥白尼的“日心说”是人类对宇宙结构及其运动的科学认识，但由于触犯教会的统治思想，不但哥白尼的理论被禁封，哥白尼本人还遭受极其残酷的人身迫害。宣传“日心说”的青年学者布努诺竟被活活当众烧死，就连伽利略，也曾由于发现木星的四颗卫星，间接的支持了“日心说”而遭受迫害。

从“地心说”到“日心说”是人类对宇宙探索与认识质的飞跃，也是天文学从神学的奴仆走向科学的标志。哥白尼的天文理论，不仅推动了天文科学的发展，引起了天文学上的一次革命，而且有力地推动了欧洲文艺复兴时期的思想解放浪潮。

对日心说的继续研究和完善，最主要的是第谷和开普勒，这是一对师生，是天文研究的黄金搭档，第谷擅长观测，开普勒擅长数学推理。开普勒出生的公元1571年，恰好是哥白尼发表《天体运行论》的第二十八年。他的老师第谷临终前，把一生对750多颗星的观测记录交给了他。开普勒运用数学知识与方法，研究老师的记录数据，他利用匀速圆周运动模型分析这些数据，发现利用哥白尼的理论计算出的结果与观测资料记载的数据总是相差0.133度的微小差别。但细心的开普勒没有把这当成误差，当他把行星的运动轨道设想成椭圆，太阳就处在椭圆的一个焦点时，计算结果与观测结果几乎完全相同。再经过大量的仔细观测，他终于发现，行星的运动轨道是椭圆而不是圆，并以此为基础，继哥白尼之后，再次对天体的运动科学立法，提出了行星运动三大定律。在开普勒行星运动三大定律的基础上，牛顿发现了万有引力定律，到此人类才算比较全面科学的了解了宇宙的结构及运动规律。