Όλα στο σύμπαν είναι σε κίνηση. Οι πλανήτες σε φεγγάρια, οι οποίες με τη σειρά τους αστράφτουν. Οι γαλαξίες έχουν εκατομμύρια και εκατομμύρια αστέρια σε τροχιά γύρω τους και σε πολύ μεγάλες κλίμακες, οι γαλαξίες περιστρέφονται γύρω από γιγαντιαίες ομάδες. Σε κλίμακα ηλιακού συστήματος, παρατηρούμε ότι οι περισσότερες τροχιές είναι σε μεγάλο βαθμό ελλειπτικές (ένα είδος πεπλατυσμένου κύκλου). Τα αντικείμενα που βρίσκονται πιο κοντά στα αστέρια και τους πλανήτες τους έχουν ταχύτερες τροχιές, ενώ οι πιο μακρινές έχουν μεγαλύτερες τροχιές.
Χρειάστηκε πολύς χρόνος για τους παρατηρητές του ουρανού να καταλάβουν αυτές τις κινήσεις και ξέρουμε γι 'αυτούς χάρη στο έργο μιας αναγέννησης ιδιοφυΐας Johannes Kepler (που έζησε από το 1571 έως το 1630). Κοίταξε τον ουρανό με μεγάλη περιέργεια και καίρια ανάγκη να εξηγήσει τις κινήσεις των πλανητών καθώς φαινόταν να περιπλανηθούν στον ουρανό.
Ο Κέπλερ ήταν Γερμανός αστρονόμος και μαθηματικός του οποίου οι ιδέες άλλαξαν ουσιαστικά την κατανόησή μας για την πλανητική κίνηση. Το πιο γνωστό έργο του προέρχεται από την απασχόλησή του από τον Δανό αστρονόμο
Tycho Brahe (1546-1601). Εγκαταστάθηκε στην Πράγα το 1599 (στη συνέχεια ο χώρος του δικαστηρίου του γερμανικού αυτοκράτορα Ρούντολφ) και έγινε δικαστής αστρονόμος. Εκεί, προσέλαβε τον Kepler, ο οποίος ήταν μαθηματικός ιδιοφυΐας, για να πραγματοποιήσει τους υπολογισμούς του.Ο Kepler είχε μελετήσει την αστρονομία πολύ πριν συναντήσει τον Tycho. ευνόησε την άποψη του Κοπέρνικα που ανέφερε ότι οι πλανήτες ήταν σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο. Ο Kepler ανταποκρίθηκε επίσης με το Galileo για τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματά του.
Τελικά, με βάση το έργο του, ο Κέπλερ έγραψε αρκετά έργα για την αστρονομία, συμπεριλαμβανομένων Astronomia Nova, Αρμονίες Mundi, και Επιτομή της Κοπερνικιανής Αστρονομίας. Οι παρατηρήσεις και οι υπολογισμοί του ενέπνευσαν τις επόμενες γενιές αστρονόμων να βασιστούν στις θεωρίες του. Εργάστηκε επίσης σε προβλήματα στην οπτική και, ειδικότερα, εφευρέθηκε μια καλύτερη έκδοση του διαθλαστικού τηλεσκοπίου. Ο Κέπλερ ήταν ένας βαθιά θρησκευόμενος άνθρωπος και πίστευε επίσης σε ορισμένες αρχές της αστρολογίας για μια περίοδο κατά τη διάρκεια της ζωής του.
Ο Kepler ανατέθηκε από τον Tycho Brahe την εργασία να αναλύσει τις παρατηρήσεις που έκανε ο Tycho από τον πλανήτη Άρη. Αυτές οι παρατηρήσεις περιελάμβαναν κάποιες πολύ ακριβείς μετρήσεις της θέσης του πλανήτη, οι οποίες δεν συμφωνούσαν ούτε με τις μετρήσεις του Πτολεμαίου ούτε με τα ευρήματα του Κοπέρνικου. Από όλους τους πλανήτες, η προβλεπόμενη θέση του Άρη είχε τα μεγαλύτερα λάθη και συνεπώς έθεσε το μεγαλύτερο πρόβλημα. Τα δεδομένα του Tycho ήταν τα καλύτερα διαθέσιμα πριν από την εφεύρεση του τηλεσκοπίου. Ενώ πληρώνει τον Kepler για τη βοήθειά του, ο Brahe φρουρούσε τα στοιχεία του ζηλιάρης και ο Kepler συχνά αγωνιζόταν για να πάρει τα στοιχεία που έπρεπε να κάνει τη δουλειά του.
Όταν πέθανε ο Tycho, ο Κέπλερ ήταν σε θέση να λάβει τα στοιχεία παρατήρησης του Brahe και προσπάθησε να αποκαλύψει τι εννοούσαν. Το 1609, το ίδιο έτος Galileo Galilei πρώτα γύρισε το τηλεσκόπιο προς τους ουρανούς, ο Κέπλερ έριξε μια ματιά στο τι σκέφτηκε ότι θα μπορούσε να είναι η απάντηση. Η ακρίβεια των παρατηρήσεων του Tycho ήταν αρκετά καλή για τον Kepler να δείξει ότι η τροχιά του Άρη θα ταιριάζει με ακρίβεια στο σχήμα μιας έλλειψης (μια επιμήκη, σχεδόν αυγούσα μορφή του κύκλου).
Η ανακάλυψή του κατέστησε τον Johannes Kepler πρώτο που καταλάβει ότι οι πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα μετακινούνταν σε ελλείψεις, όχι σε κύκλους. Συνέχισε τις έρευνές του, αναπτύσσοντας επιτέλους τρεις αρχές πλανητικής κίνησης. Αυτά έγιναν γνωστά ως Νόμοι του Kepler και επανάστασαν την πλανητική αστρονομία. Πολλά χρόνια μετά τον Κέπλερ, Ο Sir Isaac Newton απέδειξε ότι και οι τρεις νόμοι του Kepler είναι άμεσο αποτέλεσμα των νόμων της βαρύτητας και της φυσικής που διέπουν τις δυνάμεις στην εργασία μεταξύ των διαφόρων μαζικών σωμάτων. Λοιπόν, ποιοι είναι οι νόμοι του Κέπλερ; Εδώ είναι μια γρήγορη ματιά σε αυτά, χρησιμοποιώντας την ορολογία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να περιγράψουν τροχιακές κινήσεις.
Ο πρώτος νόμος του Kepler δηλώνει ότι "όλοι οι πλανήτες κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές με τον Ήλιο σε μία εστίαση και την άλλη κενή." Αυτό ισχύει και για τους κομήτες που περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο. Εφαρμόζεται στους δορυφόρους της Γης, το κέντρο της Γης γίνεται ένα εστιασμένο, με το άλλο κενό κενό.
Ο δεύτερος νόμος του Κέπλερ ονομάζεται νόμος των περιοχών. Αυτός ο νόμος δηλώνει ότι "η γραμμή που ενώνει τον πλανήτη με τον Ήλιο σαρώνει σε ίσες περιοχές σε ίσα χρονικά διαστήματα". Για να καταλάβετε το νόμο, σκεφτείτε πότε μια δορυφορική τροχιά. Μια φανταστική γραμμή που την ενώνει στη Γη σαρώνει σε ίσες περιοχές σε ίσες χρονικές περιόδους. Τα τμήματα AB και CD χρειάζονται ίσους χρόνους για να καλύψουν. Επομένως, η ταχύτητα του δορυφόρου αλλάζει, ανάλογα με την απόσταση του από το κέντρο της Γης. Η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη στο σημείο της τροχιάς που βρίσκεται πιο κοντά στη Γη, που ονομάζεται περιήγημα, και είναι πιο αργή στο σημείο που είναι πιο απομακρυσμένο από τη Γη, που ονομάζεται apogee. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η τροχιά που ακολουθεί ένας δορυφόρος δεν εξαρτάται από τη μάζα του.
Ο 3ος νόμος του Kepler ονομάζεται νόμος των περιόδων. Ο νόμος αυτός αφορά τον χρόνο που απαιτείται για έναν πλανήτη να κάνει ένα πλήρες ταξίδι γύρω από τον Ήλιο στη μέση απόσταση του από τον Ήλιο. Ο νόμος δηλώνει ότι "για κάθε πλανήτη, η πλατεία της περιόδου επανάστασής του είναι άμεσα ανάλογη με τον κύβο της μέσης απόστασης από τον Ήλιο". Εφαρμοσμένη στους δορυφόρους της Γης, ο 3ος νόμος του Kepler εξηγεί ότι όσο μακρύτερος είναι ένας δορυφόρος από τη Γη, τόσο περισσότερο χρόνο θα πάρει για να ολοκληρωθεί μια τροχιά, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που θα ταξιδέψει για να ολοκληρωθεί μια τροχιά, και όσο πιο αργή θα είναι η μέση ταχύτητά του είναι. Ένας άλλος τρόπος να σκεφτούμε αυτό είναι ότι ο δορυφόρος κινείται ταχύτερα όταν είναι πιο κοντά στη Γη και πιο αργός όταν είναι πιο μακριά.