Den celesta mekanikens historia börjar formellt med Isaac Newtons gravitationsteori, då himlakropparnas rörelser för första gången fick en riktig förklaring. Men den celesta mekaniken har en lång förhistoria av tidigare försök att klarlägga och förutsäga himlakropparnas positioner så noggrant som möjligt. Dessa försök lyckades till en viss gräns, även om dåtidens astronomer inte förstod varför planeterna rörde sig som de gjorde.
miniatyr|250px|Universum - Camille Flammarion, trägravyr, Paris 1888, färgläggning: Heikenwaelder Hugo, Wien 1998. Träsnittet presenterades som ett upphittat medeltida verk bland annat föreställande en platt jord. Att Flammarion var upphovsman offentliggjordes först 1974.
Geocentrisk astronomi och Ptolemaios universum I antikens Grekland förekom många olika geometriska modeller för planeternas rörelser. Anmärkningsvärt var att redan Aristarchus av Samos (ca 310–230 f.Kr.) föreslog en heliocentrisk modell av solsystemet och även försökte mäta solens avstånd från jorden. Den ende som stödde Aristarchus var Selecus av Selecua som sade att han hade bevisat den heliocentriska modellen; hans bevis handlade om tidvattnet som han förklarade med påverkan både från månen och från solen.
Hipparchos (ca 190–125 f.Kr.) var antikens kanske störste astronom. På sitt observatorium på Rhodos använde han resultaten från sina observationer till att bygga geometriska modeller för solens och månens rörelser. Hans solmodell hade hög precision. Hans månmodell fungerade tillfredsställande endast kring nymåne och fullmåne, men kunde då åtminstone användas för att förutsäga sol- och månförmörkelser. Det var Hipparchos som upptäckte precessionen, och han beräknade även det tropiska årets längd med ett fel på bara 6 minuter. Hipparchos försökte också mäta solparallaxen men misslyckades, och drog då slutsatsen att solparallaxen var 7 bågminuter, för hade den varit större skulle han ha lyckats mäta den.
Klaudios Ptolemaios (ca 90–165 e.Kr.) var en astronom och astrolog som verkade i Alexandria i Egypten. Inte mycket är känt om hans liv, men han observerade himlen mellan åren 127 och 141 e.Kr. Han skrev flera böcker om astronomi. Den viktigaste boken var Almagest som i 1400 år förblev det viktigaste verket för att förutsäga planeternas rörelser. Ptolemaios valde de bästa modellerna från sina grekiska föregångare, framförallt Hipparchos, och kombinerade dessa med observationer från de gamla babylonierna.
Ptolemaios förbättrade Hipparchos månmodell och byggde geometriska modeller för rörelserna hos alla de fem planeter som var kända på den tiden. Det var Ptolemaios som upptäckte evektionen, den viktigaste avvikelsen i månens rörelse.
En av Ptolemaios originalidéer var ekvanten som han introducerade och som påtagligt förbättrade noggrannheten hos de förutsagda planetpositionerna. Ptolemaios modell, som var den bästa som fanns vid denna tid, använde bara geometriska konstruktioner, inga fysiska principer. Därför kan man inte kalla Ptolemaios modell för celest mekanik.
Sett ur ett modernt perspektiv var Ptolemaios geocentriska universum mycket litet. Han ansåg att solen låg 7 miljoner km bort och att stjärnorna alla låg på ett klot (med jorden i centrum) vars radie var bara 130 miljoner km. Enligt Ptolemaios låg stjärnorna alltså lite närmare oss än solens faktiska avstånd (knappt 150 miljoner km).
Under den europeiska medeltiden förvaltades det grekiska och romerska kulturarvet av den islamska världen. Grekiska hade i stort sett försvunnit som språk i Europa, men de gamla grekiska skrifterna översattes till arabiska och senare till latin, för att åter introduceras i Europa från 1400-talet och framåt. Vissa förbättringar av tabellerna i Almagest gjordes, och de publicerades i Spanien på 1400-talet i latinsk översättning som de Alfonsinska Tabellerna.
Kopernikus och heliocentrisk astronomi Nikolaus Kopernikus (1473–1543) var en välutbildad polsk munk som i början på 1500-talet fick en förfrågan från Vatikanen om att bli rådgivare för en kommande kalenderreform. Kopernikus avböjde, han ansåg att bättre observationer och noggrannare beräkningar behövdes innan man kunde veta hur man skulle reformera kalendern.
Från början var det inte Kopernikus avsikt att revolutionera astronomin, även om detta blev resultatet av hans arbete. Flera andra hade tidigare föreslagit att solen snarare än jorden låg i universums centrum. Det Kopernikus ville göra var att bygga en geometrisk modell liknande Ptolemaios modell, men med solen istället för jorden i centrum. Ingen annan hade tidigare byggt en sådan modell.
Kopernikus mål var att hans heliocentriska modell av solsystemet skulle förutsäga planeternas position med "stor noggrannhet", vilket i hans fall innebar att felet skulle vara högst 10 bågminuter. Han lyckades inte med detta, men 1551 publicerade han de Preussiska Tabellerna. De innebar en klar förbättring jämfört med de tidigare Alfonsinska Tabellerna och förblev standardverket ända tills Kepler publicerade de Rudolfinska Tabellerna år 1627.
Kopernikus dröjde med att publicera sitt huvudverk, De revolutionibus orbium Caelestium (Om omloppen hos de himmelska sfärerna), ända till kort före sin död år 1573. Bokens berömda förord, tillfogat före tryckningen av Andreas Osiander och utan Kopernikus kännedom, presenterade teorin som om den blott vore en hypotes som gjorde beräkningarna lättare. Även om detta stred mot Kopernikus egen uppfattning, torde det ha förebyggt motreaktioner från Vatikanen, och det första halvseklet efter publiceringen accepterades boken av kyrkan.
Många samtida astronomer insåg fördelarna med den heliocentriska teorin men hade svårt att överge idén om en stillastående jord. Tycho Brahe försökte med en kompromiss: han föreslog att planeterna kretsade kring solen, medan solen och månen kretsade kring jorden. Brahes modell blev kortlivad, men Brahe själv är ihågkommen för en annan viktig insats, se nästa avsnitt.
Även Kopernikus och Tycho Brahes modeller var rent geometriska, utan några fysiska principer, och var därför inte celest mekanik.
Tycho Brahe, Kepler och elliptiska banor
miniatyr|250px|Tycho Brahes stora murkvadrant
Tycho Brahe (1546–1601) var en dansk adelsman som år 1572 upptäckte en ny supernova i Cassiopeias stjärnbild. Supernovan, som var tillräckligt ljus för att synas även mitt på dagen, upptäcktes givetvis även av många andra, men det var Tycho Brahe som noggrant dokumenterade vad han såg. Som belöning fick han förfoga över ön Ven (idag svensk men då tillhörde den Danmark). På Ven byggde Tycho två observatorier där han observerade stjärnors och planeters positioner med en noggrannhet på en bågminut, vilket var noggrannare än någon annan observatör lyckats med tidigare. Det skulle dröja ända till 1700-talet innan observatörer med teleskop lyckades förbättra denna noggrannhet.
Tycho började observera månen kring år 1582, och han förbättrade även Kopernikus månteori genom att upptäcka variationen i månens rörelse. Att korrigera för variationen minskade felet i den förutsagda månpositionen med 75%. Detta var det första nya astronomiska fenomenet som upptäckts sedan Ptolemaios tid.
Då Danmarks kung Fredrik II dog 1588 försämrades Brahes ställning, och när den nye 19-årige kungen Christian IV besteg tronen 1596 fick Tycho nog. Han lämnade Ven, och Danmark, 1597 och hittade en ny mecenat i Rudolf II i Prag, där han bosatte sig. I Prag träffade han Johannes Kepler (1571–1630), en ung teologistudent som också studerat matematik och astronomi. Kepler hade nyligen blivit övertygad om riktigheten i Kopernikus teori men sökte observationer för att kunna beräkna planetbanornas form. Tycho Brahe hade dessa observationer, och Kepler blev Tychos assistent. Men det var först efter Tychos död 1601 som Kepler fick tillgång till alla hans observationer, och efter åtta års mödosamma beräkningar publicerade Kepler sina resultat i Den nya astronomin, där han bl.a. formulerade två av sina tre berömda Keplers lagar (den tredje publicerades senare) och visade att planetbanorna var ellipser. Äntligen blev astronomerna av med alla epicykler i Ptolemaios och Kopernikus teorier!
Kepler publicerade, på direkt uppdrag av Tycho Brahe, även tabeller, de Rudolfinska Tabellerna, år 1627, med vars hjälp man kunde förutsäga planeternas positioner ännu noggrannare än med tidigare tabeller. Med hjälp av dessa tabeller gjorde Kepler den första lyckade förutsägelsen av en Merkuriuspassage som inträffade år 1631.
Kepler kallade sin teori för "gravitationsteori" och den innehöll fröet till vad som senare skulle bli Newtons universella gravitationsteori. Kepler nådde långt, men inte ända fram. Även Keplers modell blev en geometrisk modell utan fysiska principer, och var därför heller inte celest mekanik. Inte riktigt, men nästan...
miniatyr|275px|En replik av det äldsta bevarade teleskopet som Galilei använde. Utställt på Griffith Observatory.
Galileo och teleskopet Galileo Galilei (1564–1642) var inte den förste som byggde ett teleskop, och kanske heller inte den förste som såg på himlen genom ett teleskop. Men Galileo var först med att ordentligt dokumentera, och publicera, det han såg på himlen genom teleskopet. Sina första resultat publicerade han i Den himmelske budbäraren (1610). Ett mer samlat angrepp på den geocentriska världsbilden bjöd han på i Dialog om de två världssystemen (1632). Den senare innehöll en tänkt diskussion mellan en anhängare av det gamla och en av det nya världssystemet. På grund av sin frispråkighet fick Galileo den katolska kyrkans inkvisition på sig, tvingades avsvärja sig sin övertygelse, och levde sedan resten av sitt liv i husarrest där han gjorde mekaniska experiment som hjälpte Isaac Newton att senare formulera den Newtonska mekaniken.
Isaac Newton och gravitationsteorin Isaac Newton (1642–1727) föddes samma år som Galileo dog. Med den Newtonska mekaniken inleddes en ny era inom fysiken. Det var när Newtons Principia publicerades 1687 som den celesta mekaniken föddes, eftersom Newtons första tillämpningar av sin mekanik var just på himlakropparna. Newton ville kalla detta "rationell mekanik". Newtons medtävlare Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646–1716) föredrog att kalla det "dynamik". Först ett sekel efter Newton introducerade Pierre-Simon Laplace termen "celest mekanik".
Newtons intresse för celest mekanik väcktes då han var drygt 20 år. En komet som syntes år 1664 kan ha påverkat honom. Han lärde sig de Ptolemaiska och Kopernikanska modellerna från Galileos bok Dialog om de två världssystemen. Newton bekantade sig också med Descartes filosofiska principer där han lärde sig principen om tröghet. Traditionell historia säger att ett fallande äpple år 1666 gav honom idén till gravitationslagen, men sannolikt fick han denna idé betydligt senare. Först 1687 publicerade Newton sin Principia där han presenterade sin gravitationslag och sina rörelselagar.
Newton var tvungen att uppfinna ny matematik (infinitesimalkalkyl, som inkluderar integral- och differentialkalkyl) för att kunna använda sina lagar på himlakropparnas rörelser. Samma matematik uppfanns dock oberoende av Gottfried Leibniz, som använde en annan notation än Newton. Den notation vi använder idag är Leibniz notation.
Med hjälp av sina lagar och infinitesimalkalkylen kunde Newton bevisa följande: Keplers lagar leder direkt till Newtons gravitationslag: om planetbanan är en ellips med solen i ena brännpunkten som följer Keplers lagar, måste gravitationen avta med kvadraten på avståndet. En sfäriskt symmetrisk kropp har samma gravitation på omgivande föremål som om kroppens hela massa vore koncentrerad i en punkt vid sfärens centrum.