On yedinci yüzyılın başında Alman gökbilimci ve matematikçi Johannes Kepler, gökbilim tarihinin en sabırlı ve en çetin hesaplamalarından birine girişti. Kepler'in elinde, Danimarkalı gökbilimci Tycho Brahe'nin yıllar boyunca son derece titizlikle yaptığı gezegen gözlemleri vardı. Brahe, teleskop henüz icat edilmeden önce, kendi tasarladığı büyük ölçüm aletleriyle gezegenlerin konumlarını o güne kadar ulaşılmamış bir hassasiyetle kaydetmişti. Kepler'in amacı, bu gözlemleri kullanarak gezegenlerin hareketini yöneten gerçek kuralları bulmaktı.

Kepler'in ve Brahe'nin ilişkisi, bilim tarihinin ilginç ortaklıklarından biridir. Brahe, zengin bir soylu ve son derece yetenekli bir gözlemciydi; ancak matematiksel kuram geliştirmekte Kepler kadar başarılı değildi. Kepler ise yoksul bir aileden gelen, matematik konusunda olağanüstü yetenekli ama görme sorunları nedeniyle iyi bir gözlemci olamayan bir bilim insanıydı. Brahe, verilerini kıskançlıkla koruyor ve Kepler'e yalnızca sınırlı bilgi veriyordu. 1601 yılında Brahe'nin beklenmedik ölümü üzerine Kepler, bu değerli verilere tamamen erişebildi.

Kepler, çalışmalarına Mars'ın yörüngesiyle başladı. Mars'ın gökyüzündeki hareketi, diğer gezegenlere göre daha karmaşıktı ve o güne kadar önerilen hiçbir model bu hareketi tam olarak açıklayamamıştı. Kepler, Kopernik gibi gezegenlerin kusursuz daireler üzerinde hareket ettiği varsayımıyla işe başladı. Yıllarca süren hesaplamalar sonucunda, gözlemlere çok yakın sonuçlar veren bir dairesel yörünge modeli geliştirdi. Ancak modelin öngördüğü konumlar ile Brahe'nin gözlemleri arasında yaklaşık sekiz yay dakikalık bir fark vardı. Bu fark, gökyüzünde son derece küçük bir açıya karşılık geliyordu.

Pek çok gökbilimci, böyle küçük bir farkı göz ardı edebilirdi. Ancak Kepler, Brahe'nin gözlemlerinin bu kadar hata içermeyeceğine güveniyordu. Bu güven, onu dairesel yörünge fikrinden vazgeçmeye yöneltti. Kepler'in daha sonra yazdığı bir notta, bu sekiz dakikalık farkın bütün gökbilimin yeniden kurulmasının yolunu açtığını belirttiği aktarılır. Kepler, uzun ve yorucu denemelerin ardından, Mars'ın yörüngesinin bir daire değil, bir elips olduğunu keşfetti.

Bu keşif, Kepler'in birinci yasası olarak bilinir. Bu yasaya göre gezegenler, Güneş'in çevresinde elips biçimli yörüngelerde döner ve Güneş, elipsin iki odak noktasından birinde bulunur. Elips, bir dairenin hafifçe basık bir biçimidir. Bir ipin iki ucunu iki çiviye bağlayıp ipi bir kalemle gergin tutarak çizilen şekil, bir elipstir. Çivilerin bulunduğu noktalar, elipsin odak noktalarıdır. Gezegenlerin yörüngelerinin çoğu, daireye oldukça yakın elipslerdir; ancak bu küçük basıklık, hassas gözlemleri açıklamak için kritik önem taşır.

Kepler'in ikinci yasası, gezegenlerin yörüngelerindeki hızlarıyla ilgilidir. Bu yasaya göre bir gezegeni Güneş'e bağlayan hayali bir çizgi, eşit zaman aralıklarında eşit alanlar tarar. Bu da gezegenlerin Güneş'e yaklaştıklarında daha hızlı, Güneş'ten uzaklaştıklarında ise daha yavaş hareket ettiği anlamına gelir. Dünya da Güneş'e en yakın olduğu ocak ayının başında en hızlı, en uzak olduğu temmuz ayının başında ise en yavaş hareket eder. Kuzey yarımkürede kışın Güneş'e en yakın konumda bulunmamız, mevsimlerin Güneş'e olan uzaklıktan kaynaklanmadığını da gösterir.

Kepler'in üçüncü yasası ise birinci ve ikinci yasadan yaklaşık on yıl sonra yayımlandı. Bu yasa, farklı gezegenlerin yörüngeleri arasında bir ilişki kurar. Yasaya göre bir gezegenin Güneş çevresindeki dolanma süresinin karesi, yörüngesinin büyüklüğünün küpüyle orantılıdır. Bu ilişki sayesinde bir gezegenin dolanma süresi bilindiğinde, Güneş'e olan uzaklığı da hesaplanabilir. Kepler, evrenin uyumlu bir matematiksel düzene sahip olduğuna derinden inanıyordu ve bu yasayı bulduğunda büyük bir coşku yaşadığını yazmıştır.

Kepler'in yasaları, gezegenlerin nasıl hareket ettiğini son derece doğru biçimde tanımlıyordu; ancak neden bu biçimde hareket ettiklerini açıklamıyordu. Kepler, Güneş'ten yayılan ve gezegenleri yörüngelerinde iten bir tür kuvvet bulunabileceğini düşünmüştü; fakat bu kuvvetin doğasını açıklayamadı. Bu sorunun yanıtı, yaklaşık yetmiş yıl sonra Isaac Newton tarafından verildi. Newton, kütle çekimi yasası ve hareket yasalarından yola çıkarak Kepler'in üç yasasının matematiksel olarak türetilebileceğini gösterdi.

Kepler'in yasaları, bugün yalnızca Güneş Sistemi'ndeki gezegenler için değil, evrendeki pek çok sistem için de geçerlidir. Gökbilimciler, ötegezegenlerin yörüngelerini, çift yıldızların hareketlerini ve galaksilerin merkezindeki kara deliklerin çevresinde dönen yıldızları incelerken bu yasalardan yararlanır. Uzay araçlarının yörüngelerinin planlanması da Kepler'in yasalarına dayanır.

Kepler'in öyküsü, bilimde sabrın, titizliğin ve verilere duyulan güvenin önemini gösterir. Küçük bir tutarsızlığı göz ardı etmek yerine onun peşine düşmesi, insanlığın gökyüzünü anlama biçimini kökten değiştirmiştir.