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近代天文学以波兰天文学家哥白尼在16 世纪30 年代后期建立的日心体系为起点，哥白尼学说成为近代天文学的基石，使天文学首先跨入了近代科学的大门。哥白尼日心说在学术上彻底打败地心说并得以确立和发展的过程中，精于天文观测的天文学大师第谷、创立行星运动三定律的开普勒和发明天文望远镜的伽利略起了十分重要的作用。行星运动的三条定律成为经典天文学的奠基石。英国物理学家牛顿提出的万有引力定律则在理论上完美地解决了行星乃至所有天体运动的规律。牛顿的引力理论无孔不入地渗透到天文学研究的各个领域和课题中，形成了一门天体力学新学科，这是18 世纪和19 世纪中叶天文学最辉煌的成就。
从托勒密到哥白尼经过了约1500年，在这很长的时间间隔中，天文学缓慢地发展着。实际上，古希腊天文学家早就提出过日心说。古希腊学者菲洛劳斯在公元前5 世纪就提出：地球并不是宇宙的中心，而是不停地在绕“中央火”转动。虽然这“中央火”并不是指太阳，但至少表明地球是运动的思想由来已久。甚至有的学者正确地提出地球每天绕轴自转一周，而且又每年绕太阳公转一周的看法。但是，这些正确的看法很少有人赞同。直到16 世纪，伟大的天文学家哥白尼提出日心说，才把地心说这一错误的宇宙观纠正过来。
图1-6 波兰天文学家哥白尼
哥白尼，1473 年诞生在波兰维斯瓦河畔的托伦城。他年轻时就热爱天文学，但是他的舅父坚持让他从事宗教工作。1497年他到意大利学习教会法规期间，学习了数学和天文学，阅读了大量古希腊天文著作，对托勒密的学说体系更是潜心研究。
1506年，哥白尼从意大利回到波兰以后就在教堂工作。他把大部分精力都用在天文学研究上。他在教堂的高楼顶上的平台建起了自己的天文台，经常整夜地在那里观测星星。大约在1502~1514年间，哥白尼在《关于天体运动假说的要释》手稿中提出了太阳居中、行星和地球都绕着太阳转动的日心体系（图1-7）。但这仅仅是一个假说，缺乏令人信服的证据，也不能预测日、月、行星位置。哥白尼继续研究，花费了近40年的心血，到了16世纪30年代后期，终于完成了他的科学巨著《天体运行论》。在书中，他描绘出了一幅宇宙总结构的示意图，中心为静止不动的太阳；最外层天球为恒星天，也安然不动；在恒星天之内的天球按土星（30年绕太阳转一周）、木星（12年绕太阳转一周）、火星（2年绕太阳转一周）、携带着月球的地球（1 年绕太阳转一周，月球绕地球每月转一周）、金星（9个月绕太阳转一周）、水星（80天绕太阳转一周）分为六层。这一宇宙结构明确地把地球看成一颗普通的行星，正确地描述了6个行星绕太阳的轨道运动。
图1-7 哥白尼的日心说示意图
对于恒星和太阳的东升西落现象，哥白尼以“我们离开港口向前远航，陆地和城市悄悄退向后方”这样通俗的比喻来说明地球自转所造成的恒星、太阳、行星等各种天体的东升西落现象。
哥白尼的日心体系是一个相当严谨的理论，简单而精彩。他运用数学工具对天体的视运动作了定量探讨，成功地解释了行星的逆行现象，可以预测这些天体在未来某时刻的视位置，可以与以后的天文观测数据进行比较。然而他的著作迟迟不能发表，直至1543年5月24日在他生命的最后弥留时刻，才看到自己花费了毕生精力写成的《天体运行论》出版了。
虽然他把太阳看做宇宙的中心也是不对的，他的模型对行星运动的预测也不太准，但在地心说根深蒂固的那个时代，哥白尼的日心说无疑是对传统的错误观念的一场伟大的革命。哥白尼的日心学说导致了人类认识宇宙的一次巨大飞跃。哥白尼的日心体系奠定了近代天文学的基石，使天文学首先跨入了近代科学的大门。因此，哥白尼堪称近代天文学的奠基人。
哥白尼提出的日心说被教会势力视为异端邪说，《天体运行论》被定为禁书长达两个世纪之久。教会对支持日心说的学者横加迫害，严重地阻碍了日心说的传播和发展。生于1548年的意大利科学家布鲁诺因支持、宣扬并发展了哥白尼的日心学说，被罗马教会囚禁8 年以后判以残酷的火刑，活活地烧死。日心说的发展缓慢还有一个原因是当时的天文学观测精度还不够高，根据日心说理论预测天体视运动的准确性和地心说差不多。特别是，日心说所预言的恒星周年视差现象未能在观测上得到验证，更使一些人产生了怀疑。因此，在学术上并没有完全打败地心说。哥白尼日心说在学术上彻底打败地心说并得以确立和发展的过程历经艰辛曲折。在这一过程中，精于天文观测的天文学大师第谷、创立行星运动三定律的开普勒和发明天文望远镜的伽利略起了十分重要的作用。
图1-8 丹麦天文学家第谷
第谷是第一位对日心说的确立作出重大贡献的学者，有趣的是他本人却并不赞成这一宇宙体系。第谷1546年生于北欧丹麦一个贵族家庭中。进入哥本哈根大学后首次接触到天文学就爱上了。之后，他对天象的观测特别有兴趣，如进行日食、土星与木星相合等天象的观测，并均有所发现。1572 年他发现仙后座的一颗新星，观测得到从出现到消失整个过程的光变曲线。这颗新星后来被称为“第谷新星”，实际上是银河系中一颗十分罕见的超新星。第谷修建了属于自己的天文观测台，装备了自己设计的十多种天文仪器，还聘请了一批训练有素的助手。
第谷对恒星和行星进行了长期的观测，积累了大量资料。编制出版了一部列有777颗恒星坐标的星表。其观测精度在望远镜问世以前是首屈一指的，所测天体位置的误差已小于2′，几乎达到肉眼观测所能获得的精度极限，远比古希腊的星表精确。第谷把他积累了20 年的有关行星的观测资料交给了他的助手开普勒，为开普勒建立行星运动三定律准备了条件。
开普勒1571年生于德国。进入蒂宾根大学后就对天文学产生了浓厚的兴趣，并且成为哥白尼学说的忠实维护者。1596 年，他出版了《宇宙的神秘》一书，引起了当时著名天文学家第谷的注意，第谷因而邀请开普勒到布拉格天文台做他的助手。1601 年，第谷逝世，开普勒接替了第谷的台长职务。从此以后，他一直致力于天文学研究，直至1630年逝世。
图1-9 德国天文学家开普勒
开普勒一生中最辉煌的成就是他发现了行星运动三定律。开普勒对第谷留下的极其丰富的行星视运动的观测资料进行了反复的研究。他先是按照传统的观念，认为行星是在围绕太阳作匀速圆周运动。但是，无论他用什么方法计算，都与第谷的观测结果不符，火星的黄经误差有8′之多。第谷的观测是完全值得信赖的，于是他想到，行星可能不是在作匀速圆周运动的，1609年他终于发现了“火星是沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于椭圆的一个焦点上”（图1-10）这条重要的行星运动第一定律。开普勒说：“就凭这8′差异，引起了天文学的全部革新！”。不久开普勒又发现，尽管火星在近日点附近时运行得快一些，在远日点附近时运行得慢一些，但是不论从任何一点开始，在相同的时间内，向径扫过的面积都是相同的，即图1-10中标以a,b,c的三块面积相同。这就是行星运动的第二条定律。在1619年他又发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”这一定律可由观测得到的图1-11所示的轨道半长轴和周期的关系导出。有关行星运动的三条定律成为经典天文学的奠基石，从此天文学开始大踏步地前进了。后人将开普勒尊称为天空立法者。
图1-10 开普勒行星运动第一和第二定律示意图
图1-11 行星轨道半长轴和周期之间的关系
与开普勒同时代的还有一位伟大的天文学家伽利略，他于1564 年生于意大利比萨城。父亲希望伽利略长大后能做一名医生，但是伽利略却对数学和物理学情有独钟。他从青年时代起就对哥白尼的日心学说钦佩不已。1609年5月，伽利略45岁的时候，制造了世界上第一台光学天文望远镜。新的望远镜瞄准的第一个天体是月亮。当时的传统观念都认为月亮是一个完美的球体，像水晶一样的光滑，伽利略在望远镜中看到的月亮却有许多圆形的山峰和峡谷，他将这些圆形的山叫做环形山。月亮表面还有一些面积较大的平坦阴暗区域，伽利略认为它们应该是像地球表面的海洋一样的水域，于是把它们叫做“海”。实际上月球上并没有汹涌澎湃的大海，连一滴水也没有，那些阴暗部分只是月面的低洼地。然而，月海的名字却一直沿用至今。
图1-12 意大利科学家伽利略
1610年1月，伽利略用这架望远镜获得了他最卓越的发现，看到木星的4个卫星。后来人们将这4 颗卫星叫做伽利略卫星。木星卫星的发现说明宇宙还有其它的“中心”。同年8月，伽利略看到金星不是金光灿灿的圆面，而是闪着金光的一钩“弯月”，说明金星有着与月亮类似的周期圆缺的变化。他指出，金星和地球一样自身不发光，都在围绕太阳转动。这是对哥白尼日心说的最有力的支持。年底，伽利略又发现太阳表面上有黑子，并且根据黑子在日面的移动情况，证明太阳本身也在自转。这一切观测发现都与地球中心论相违背，成为日心说的有力证据。
1633年，伽利略已届古稀之年，他一生中的辉煌成就驰名全欧洲，受到科学界乃至世人们的尊敬。然而，就在那一年，由于他长期坚持宣扬哥白尼的日心说，被反动的罗马宗教法庭判处终生监禁。
开普勒只是从观测数据中发现了行星运动三大定律，但他却不知道其物理原因。英国物理学家牛顿追本穷源，建立起一套能解释这些关系的物理理论。
图1-13 英国科学家牛顿
牛顿1642 年生于英格兰东部的一个小村庄，家境贫寒，多灾多难。1661年，牛顿18岁的时候进入剑桥大学学数学。1665年初，年仅22岁，尚未大学毕业的牛顿就实现了自己科学生涯中的第一个重大突破——发现了数学中重要的二项式定理。接着，在1665 年夏天，伦敦因遭遇一场可怕的瘟疫，死了许多人，剑桥大学决定全校停课，迅速疏散。牛顿在回到家乡的18个月中，发明了微积分，发现了白光的组成，并且开始研究引力问题。地球引力的现象是很多的，他细心观察各种现象，其中最为著名的是“苹果熟了为什么往地上掉？”的思考。他提出著名的万有引力定律，即任何物体之间都会互相吸引。若两物体的质量分别为M 1 及M 2 ，而它们之间的距离为r，那么它们之间的吸引力F为
公式中的G为引力常量，是一个非常小的数，所以当物体质量很小时，它们之间的引力便微不足道，我们看不到日常的物体会互相吸引，便是这个原因。天体的质量很大，引力就非常明显了，由牛顿的万有引力定律很容易推导出开普勒的行星运动三大定律，建立在牛顿力学基础上的天体力学迅速发展起来。牛顿的引力理论也无孔不入地渗透到天文学研究的各个领域和课题中。