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四百年前的今年，兩件大事標誌著科學家和歷史學家今天認為的現代天文學的誕生。其中第一件事，伽利略開始使用望遠鏡進行觀測，已被劇作家和作家不朽化，並被廣泛宣傳為國際天文年的基石週年紀念日。透過他的望遠鏡，這位義大利天文學家看到了月球上的山脈和峽谷、木星的衛星以及太陽黑子，這些觀測結果將在否定盛行的、教會認可的以地球為中心的宇宙觀方面發揮巨大作用。
第二件事並不為人所知，但可以說是同等重要的。那是約翰內斯·開普勒的《新天文學》（Astronomia Nova）於 1609 年出版，這是一篇論文，其中這位德國天文學家介紹了他描述行星運動的定律中的前兩條。
第一定律指出，行星圍繞太陽沿橢圓軌道執行，並將太陽的位置描述為該橢圓的焦點。第二定律指出，連線行星和太陽的一條假想線將在給定的時間段內掃過大小相等的區域，無論該時間段落在軌道上的哪個位置。
開普勒後來又引入了另一條定律，這條定律將軌道的尺寸與完成該軌道所需的時間聯絡起來。他還對光學做出了根本性的貢獻，研究了針孔相機、望遠鏡和人眼如何形成影像，並開發了矯正近視和遠視的鏡片的原理。他創造了“軌道”和“衛星”這兩個詞，並解釋了月球如何引起海洋潮汐。
哈佛-史密森天體物理中心的榮譽退休天文學和科學史教授歐文·金格里奇說：“他是一位天文學家的天文學家。”
開普勒於 1571 年出生於今天德國巴登-符騰堡州的魏爾德斯塔特鎮。他的父母並不富裕：他的父親是僱傭兵，母親是家庭主婦，後來被指控為巫婆。開普勒從小就內向多病，但在數學方面表現出色。他決定加入神職人員，並獲得獎學金進入蒂賓根大學，在那裡他第一次接觸到波蘭天文學家尼古拉斯·哥白尼的作品。
1609 年，公認的觀點是地球靜止於宇宙中心，月球、太陽和行星圍繞它執行。恆星位於更遠處，以球形環繞地球。這種天體觀點起源於希臘人，並在公元二世紀被克勞狄烏斯·托勒密正式確立為天文學系統。托勒密天文學並不簡單——為了模擬行星的運動，它使用了由圓形和本輪組成的複雜系統——但它已被接受為真理將近一千五百年。
16 世紀中期，哥白尼提出了另一種日心繫統，其中太陽是宇宙的中心，地球和其他行星圍繞它執行。哥白尼關於日心說的論文《天體執行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）於 1543 年出版。開普勒在蒂賓根大學讀書時發現了它，並深受哥白尼觀點的吸引。
但大多數人並不那麼喜歡日心宇宙的概念。首先，哥白尼的思想沒有得到廣泛傳播，因為它與羅馬天主教會的教義相悖（儘管在《天體執行論》被教會列為禁書之前，還需要 73 年的時間）。只有在大學及其周圍地區，他們才找到了追隨者。其次，即使對於那些聽說過它的人來說，從某些方面來說，哥白尼的日心天文學也幾乎不比托勒密天文學更準確。
偉大的火星災難
正如金格里奇解釋的那樣，托勒密系統預測火星的位置大約每 32 年就會在經度上出現大約 5 度的誤差。哥白尼的系統也好不到哪裡去：它在經度上相差約 4 度。金格里奇稱之為“偉大的火星災難”——丹麥天文學家第谷·布拉赫等觀測者知道這個問題，但開普勒會解決這個問題。
在蒂賓根大學畢業後，開普勒在格拉茨（今奧地利）擔任數學教師，在那裡他繼續對天文學感興趣。正是在格拉茨，他寫了1596 年出版的《宇宙神秘》（Mysterium Cosmographicum），以支援哥白尼。他將自己的書的副本寄給包括當時最偉大的觀測天文學家布拉赫在內的主要天文學家。布拉赫和開普勒開始了通訊，在信中討論了哥白尼主義和其他天文學問題。到那時，開普勒已經意識到需要原始資料——可以幫助他理解自然基本規律的觀測結果。
1600 年，由於新教改革期間的宗教和政治動盪，開普勒失去了在格拉茨的工作。他前往布拉格，在那裡布拉赫是魯道夫二世皇帝的宮廷天文學家。布拉格是開普勒度過他最有成效的歲月的地方。布拉赫於 1601 年突然去世，開普勒接替他擔任宮廷天文學家。除了他的王室職責外，開普勒還試圖解決火星的運動問題。他發現他最初的模型假設火星以圓形軌道繞太陽執行，與他前任的觀測結果不符。他不情願地改變了軌道，使其更像蛋形。
金格里奇說：“有一個傳說是，開普勒透過擬合第谷·布拉赫的火星記錄曲線，發現行星軌道是橢圓形的。事實是，第谷的觀測表明軌道不是圓形，但橢圓的選擇在很大程度上是理論性的。”
那是改變科學程序的智力飛躍之一。開普勒發現，不僅太陽位於一個焦點處的橢圓軌道可以解釋火星的運動，而且也可以解釋其他行星的運動。事實上，正如金格里奇指出的那樣，開普勒意識到了他發現的重大意義。在《新天文學》中，當開普勒解釋火星的運動並提出他的前兩條行星定律時，字型突然變得更大以說明其重要性。（第三條會在稍後出現。）
但行星運動的根本物理原因讓開普勒感到困惑，他認為這是一種磁力造成的。這個謎題必須等待另一位革命性的思想家艾薩克·牛頓，他的萬有引力定律出現在科學舞臺上，並在八十年後解釋了軌道行為。