公元1576年，丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe）开始使用测量精度可达1角分的天文仪器，对行星的运动跟踪观测了20多年，积累了大量珍贵的资料。 德国天文学家开普勒（Jo－hannes Kepler）通过对这些资料的分析研究，在1609～1619年期间发现行星运动必须遵从的三个定律：所有的行星的运行轨道都是椭圆，太阳就位于这些椭圆的一个公共焦点上；在相等的时间内，行星和太阳的连线（向径）所扫过的面积相等；行星围绕太阳运动的公转周期的平方同它们的轨道半长径的立方成正比。这样，就可用7个椭圆代替日心说中尚存的34个圆，完全抛弃了本轮、均轮体系，使哥白尼学说更加简化、精密和完善。
公元1609年，伽利略（Galileo）首创的光学天文望远镜投入使用，人类的眼界忽然大大开阔。当伽利略用望远镜观测太阳系时，发现月亮上有许多山和谷，其崎岖不平的程度并不亚于地球；太阳黑子在日面上的缓慢移动，证明比地球大得多的太阳也在自转；金星经历的一系列位相变化，只有承认它也在围绕太阳公转的事实才能得到解释。特别是伽利略发现围绕木星转动的4颗卫星，更是地球不处于宇宙中心的一个直接证据。这些始料未及的观测结果，都是对日心说的有力支持，为完成人类宇宙观念的第一次大飞跃做出了重要贡献。这次飞跃对于当时西方的思想解放、文艺复兴和科技发展等，显然产生了重大影响。
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