Хотя движение планет обсуждалось ещё древними греками, их вера в геоцентрическую модель Вселенной существенно ограничивала научный прогресс в этой области. В греческой астрономии для объяснения сложного движения планет применялся метод эпициклов, который с математической точки зрения можно рассматривать как раннюю форму рядов Фурье. Однако этот подход служил лишь для описания наблюдаемых движений, не раскрывая их физических причин.
Принципиальный поворот в понимании планетарных движений произошёл в XVI веке. В 1543 году Николай Коперник в своём труде De Revolutionibus Orbium Coelestium выдвинул идею о том, что планеты, включая Землю, движутся вокруг Солнца. Хотя гелиоцентрическая модель была революционной с научной точки зрения, Коперник по-прежнему предполагал, что орбиты планет являются совершенными окружностями. Со временем более точные астрономические наблюдения показали недостаточность этого предположения.
В 1600 году Иоганн Кеплер стал помощником Тихо Браге — самого точного наблюдателя своего времени. После смерти Браге в 1601 году Кеплер приступил к анализу собранных им исключительно точных данных и начал формулировать законы движения планет.
Кеплер показал, что планеты движутся вокруг Солнца не по окружностям, а по эллипсам, причём Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Кроме того, он доказал, что линия, соединяющая планету с Солнцем, за равные промежутки времени описывает равные площади. Эти два фундаментальных закона были впервые выведены на основе движения Марса и опубликованы в 1609 году в труде Astronomia Nova.
Однако законы Кеплера не были приняты сразу. Первый закон был воспринят с осторожностью, а второй на протяжении примерно восьмидесяти лет вызывал серьёзные сомнения в научном сообществе.
Третий закон Кеплера был представлен в 1619 году в труде Harmonices Mundi. Согласно этому закону, квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам средних радиусов их орбит. Удивительно, но именно этот закон был принят значительно быстрее по сравнению с первыми двумя.
В 1679 году Роберт Гук написал письмо Исааку Ньютону, в котором изложил своё представление о планетарном движении как результате действия центральной силы. Ньютон не дал прямого ответа на это письмо, однако начал формировать собственные идеи, основываясь на механических явлениях, наблюдаемых на Земле. Он отмечал, что из-за вращения Земли тело, сброшенное с вершины башни, должно упасть не строго у её основания, а с некоторым отклонением.
Первоначально Ньютон предполагал, что тело будет двигаться по спиральной траектории к центру Земли. Гук же указал, что при наличии центральной силы траектория должна принимать форму эллипса, а движение — быть периодическим. Ньютон признал ошибочность своего первоначального эскиза, но, исходя из предположения о постоянстве силы тяжести, внёс коррективы в модель Гука.
Позднее Гук выдвинул предположение, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Спустя годы он заявил о своём приоритете в формулировке этого закона и в качестве доказательства представил Ньютону своё письмо.
Ключевой исторический момент заключался в осознании того, что движение Луны вокруг Земли и движение планет вокруг Солнца могут быть объяснены одним и тем же универсальным законом. Для своего времени это было поистине революционное понимание. Именно этот подход лёг в основу закона всемирного тяготения.
Примерно через пятьдесят лет Ньютон, вспоминая эти события, писал (с сохранением характерного для него староанглийского стиля):
«В тот же год я начал размышлять о применении законов Кеплера к орбите Луны и понял, что можно вычислить действие центральной силы на сферические тела. Установив связь между расстояниями планет от центра и действующими силами, я осознал, что их движение может быть объяснено этим законом».
Эти размышления в конечном итоге привели к формированию закона всемирного тяготения, который заложил основы классической механики и современной космологии.