Прогресс в изготовлении приборов для астрономических измерений не вооружённым оптикой глазом позволил точнее фиксировать движения планет, а развитие математики позволило точнее вычислять теоретические значения. При этом выяснилось, что согласие между теорией Птолемея и наблюдениями оставляет желать лучшего. Было немало предложений и споров о том, как выйти из этого положения. Но основная схема Птолемея, представляющая движение планет вокруг Земли комбинацией равномерно вращающихся окружностей, применялась вплоть до Возрождения.

В Римской империи астрономия не развивалась. Римляне внесли много нового в политику, юриспруденцию и технику, но астрономию они почти не продвинули. Во времена распада империи и нашествия варваров, т. е. в эпоху поздней античности и раннего средневековья, астрономия на Западе стала угасать. Она ещё существовала в нетворческом виде, переходя в форме текстов из одного сборника в другой, но механическое переписывание древних работ сопровождалось множеством ошибок. Составление календаря стало большой проблемой, и даже на такое рутинное дело, как определение основанных на лунном календаре дат религиозных праздников (например, Пасхи), были способны лишь немногие образованные люди. Каталоги и рассчитанные Птолемеем таблицы сохранились, но всё меньше людей понимало их и могло использовать. Те немногие энтузиасты, которые ещё проводили наблюдения и фиксировали астрономические события, пользовались солнечными часами и простейшими приборами.

В период после падения Рима, когда астрономия угасала в Европе, эта эллинистическая наука прижилась и пустила мощные корни в соседних культурах Среднего Востока и Азии, а также Индии. Были построены многочисленные обсерватории, крупнейшей из которых стала обсерватория Улугбека в Самарканде. Учёные Востока овладели всеми астрономическими знаниями предшествовавших эпох, они исправляли и дополняли методы Птолемея.

Даже после так называемого возрождения XII века, когда некоторые работы Аристотеля были переоткрыты, и на Запад пришли интеллектуально наполненные времена схоластики, астрономия оставалась в упадке. Правда, стали популярными космологические диспуты, касающиеся общего строения Вселенной. Теологи и учёные написали к сочинениям Аристотеля множество комментариев. Вместе с Библией и трудами отцов церкви работы Аристотеля стали основой обучения. Предметом пылких дискуссий было устройство небесных сфер и принципы их движения, возможная множественность миров и даже природа Луны.

Эти дискуссии подготовили образованный Запад к интеллектуальному взлёту XIV века, когда сохранившиеся в арабских странах античные знания хлынули в Европу. Только тогда европейские астрономы смогли прочитать Птолемея, Аристотеля и других классиков в полном объёме и, что ещё важнее, увидеть развитие античной астрономии.

К XVI веку стало ясно, что геоцентрическая модель мира Птолемея далека от совершенства настолько, что уже не удовлетворяет возросшей точности астрономических наблюдений. Попытки её модернизации путём усложнения системы эпициклов и деферентов не решали главной задачи и делали эту систему малоправдоподобной.

На смену модели Птолемея пришла гелиоцентрическая модель мира, предложенная польским учёным Николаем Коперником (1473–1543). Идея гелиоцентризма была не нова. Ещё Аристарх Самосский (ок. 310– 230 до н. э.) полагал, что Солнце неподвижно и находится в центре мира, а Земля обращается вокруг него. Но взгляды Аристарха опередили своё время и были забыты.

Коперник совершил коренной переворот в астрономии. На смену умозрительным построениям древних учёных пришло новое понимание строения Солнечной системы. Теория Коперника вполне отвечала философскому принципу «бритвы Оккама»: не умножай сущностей без необходимости. Модель мира Коперника не только оказалась проще системы Птолемея, но и правильно отразила физическую картину: в центр мира Коперник поместил Солнце, как позднее выяснилось, — наиболее массивное тело Солнечной системы. Кроме того, он установил верный порядок расположения планет по их удалённости от Солнца и правильно определил их относительные расстояния.

Однако теория Коперника, несмотря на её революционный характер, не смогла до конца порвать со старыми представлениями об устройстве мира. Так, в теории Коперника сохранились эпициклы, хотя их число было меньшим, чем у Птолемея. Но эпициклы были необходимы, ибо орбиты планет по — прежнему полагались круговыми, а не эллиптическими. Сохранялась и сфера неподвижных звёзд; таким образом, Солнце оказывалось центром не только Солнечной системы, но и всей Вселенной. Точность расчёта положений планет по Копернику была примерно такой же, как и по модели Птолемея.

Идеи Коперника долго ждали научного и, тем более, общественного признания. Этому препятствовало не только психологическое недоверие обывателей, каждый день видящих движение Солнца и звёзд вокруг неподвижной Земли, но и вполне резонные возражения образованных людей. Движение Земли вокруг Солнца должно приводить к параллактическому смещению ближних звёзд в течение года, которое (хотя и были попытки его наблюдать) не отмечалось, да и не могло быть замечено в XVI веке по причине своей малости. Параллаксы звёзд были обнаружены только в первой половине XIX столетия.

Важные свидетельства в пользу гелиоцентрической системы Коперника дали первые телескопические наблюдения неба, проделанные Галилео Галилеем (1564–1642). Он увидел в свои ещё несовершенные зрительные трубы рельеф Луны, пятна на Солнце, звёзды в Млечном Пути. Он обнаружил также изменение фаз Венеры, что однозначно свидетельствовало о её движении вокруг Солнца. Открытие им спутников Юпитера и изучение их движения показало, что одно из основных свойств мира — его иерархическая структура.

Следующим этапом в создании научной картины мира стали труды Иоганна Кеплера (1571–1630), открывшего принципиально важные для астрономии законы планетных движений. Впервые было доказано, что планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам; что скорость движения планеты закономерно зависит от её расстояния от Солнца; была найдена связь между периодами обращения планет и большими полуосями их орбит. Законы Кеплера носили кинематический характер: они устанавливали закономерности движения планет, но не вскрывали их причину. Открытие законов планетных движений оказалось возможным благодаря использованию Кеплером многолетних астрометрических наблюдений Марса, проведённых знаменитым датским астрономом Тихо Браге (1546–1601).

Выдающийся английский физик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643–1727) завершил создание классической астрономии, подвёл теоретическую основу под эмпирические закономерности, найденные его предшественниками. Ньютон из открытого им закона всемирного тяготения не только вывел законы планетных движений, но и смог обобщить и уточнить их. Первый обобщённый закон Кеплера утверждает, что одно космическое тело может двигаться в поле тяготения другого космического тела по одному из пяти конических сечений: окружности, эллипсу, параболе, гиперболе и прямой линии. Второй закон, как показал Ньютон, является следствием закона сохранения момента импульса. В математическое выражение третьего обобщённого закона вошли массы обоих гравитационно взаимодействующих тел, что позволило использовать этот закон для определения масс космических объектов.

Полученные Ньютоном обобщения законов планетных движений превратили эти законы в динамические, поэтому Ньютона по праву считают основоположником небесной механики. Но он был не только выдающимся теоретиком, но и незаурядным экспериментатором. Открытие им дисперсии света положило начало чрезвычайно плодотворному методу спектрального анализа, позволившему измерять температуру звёзд, изучать физические условия и химический состав небесных объектов. Ньютон изобрёл телескоп — рефлектор, свободный от хроматической аберрации. Ныне все крупные телескопы — рефлекторы.