350px|miniatura|Esferas celestes geocéntricas en la Cosmographia de Pedro Apiano (Amberes, 1539).
Las esferas celestes, u orbes celestes, eran las entidades fundamentales de los modelos cosmológicos desarrollados por Platón, Eudoxo, Aristóteles, Ptolomeo, Copérnico y otros. En estos modelos celestes, los movimientos aparentes de las estrellas fijas y de los planetas se explicaban tratándolos como objetos incrustados en unas esferas giratorias, hechas de un etéreo quinto elemento transparente (quintaesencia), como joyas fijadas en orbes. Puesto que se creía que las estrellas fijas no cambiaban de posición entre sí, se argumentaba que debían estar en la superficie de una sola esfera estrellada.Grant, Planets, Stars, and Orbs, p. 440.
En el pensamiento moderno, las órbitas de los planetas se ven como las trayectorias de esos planetas a través del espacio vacío. Los pensadores antiguos y medievales, sin embargo, consideraban que los orbes celestiales eran esferas gruesas de materia enrarecida anidadas una dentro de la otra, cada una en el contacto completo con la esfera superior y la esfera inferior.Lindberg, Beginnings of Western Science, p. 251. Cuando los eruditos aplicaban los epiciclos de Ptolomeo, suponían que cada esfera planetaria era exactamente lo suficientemente gruesa para acomodarlos. Al combinar este modelo de esferas anidadas con observaciones astronómicas, los antiguos astrónomos calcularon los que se convertirían en valores generalmente aceptados en ese momento para las distancias al Sol (unos 4 millones de millas),Van Helden, Measuring the Universe, pp. 28-40. a los otros planetas y al borde del universo (alrededor de 73 millones de millas). Las distancias del modelo de esferas anidadas al Sol y los planetas difieren significativamente de las mediciones modernas,Grant, Planets, Stars, and Orbs, pp. 437-8. y el tamaño del universo ahora se sabe que es inconcebiblemente grande y posiblemente infinito.Van Helden, Measuring the Universe, p. 3.
Según Albert Van Helden, desde el año 1250 hasta el , prácticamente todos los europeos educados estaban familiarizados con el modelo ptolemaico de «esferas anidadas y con las dimensiones cósmicas derivadas de ellas».Van Helden, Measuring the Universe, pp. 37-40. Incluso después de la adopción del modelo heliocéntrico del universo de Copérnico se introdujeron nuevas versiones de la teoría de las esferas celestes, con el Sol en el centro y las esferas planetarias siguiendo la secuencia: Mercurio, Venus, Tierra-Luna, Marte, Júpiter y Saturno.
La creencia tradicional en la teoría de las esferas celestiales no sobrevivió a la Revolución científica. A principios del , Kepler continuaba hablando de esferas celestes, aunque no consideraba que los planetas fueran portados por las esferas, sostenía que se movían en los caminos elípticos descritos por sus leyes del movimiento planetario. A finales del , las teorías griegas y medievales sobre el movimiento de los objetos terrestres y celestes fueron reemplazadas por la ley de Newton de la gravitación universal y la mecánica newtoniana, que explicaban cómo las leyes de Kepler surgen de la atracción gravitacional entre los cuerpos.
Historia
Ideas iniciales acerca de esferas y círculos
En la Antigua Grecia los co celestes y anillos aparecieron por primera vez en la cosmología de Anaximandro en el Heath (1913/1997), Aristarchus of Samos, capítulo 4 (Oxford University Press/Sandpiper Books Ltd).Popper (1998), The World of Parmenides, p. 11. Routledge. En su cosmología tanto el Sol como la Luna eran respiraderos circulares abiertos en anillos tubulares de fuego encerrados en tubos de aire condensado; estos anillos constituyen las llantas de las ruedas giratorias que giran sobre la Tierra en su centro. Las estrellas fijas son también aberturas abiertas en tales llantas, pero hay tantas ruedas para las estrellas que sus aros contiguos forman juntos una cáscara esférica continua que abarca la Tierra. Todas estas llantas habían sido originalmente formadas a partir de una esfera original de fuego que abarcaba completamente la Tierra, que se había desintegrado en muchos anillos individuales.Heath, ibid, pp. 26–28. Por lo tanto, en la cosmogonía de Anaximandro, en el principio era la esfera, de la cual se formaron los anillos celestiales, de algunos de los cuales la esfera estelar fue compuesta a su vez. Visto desde la Tierra, el anillo del Sol era el más alto, el de la Luna estaba más abajo y la esfera de las estrellas era la más baja.
Siguiendo a Anaximandro, su discípulo Anaxímenes (c. 585-528/4) sostuvo que las estrellas, el Sol, la Luna y los planetas estaban hechos de fuego. Pero mientras que las estrellas estaban sujetas en una esfera cristalina giratoria como clavos o botones, el Sol, la Luna y los planetas, y también la Tierra, simplemente flotaban en el aire como hojas por su envergadura.Heath (1913), Aristarchus of Samos, capítulo 5. Y mientras que las estrellas fijas eran movidas alrededor en un círculo completo por la esfera estelar, el Sol, la Luna y los planetas no giraban bajo la Tierra entre la puesta y el nacimiento como hacen las estrellas, sino más bien en la puesta van lateralmente alrededor de la Tierra como un casquillo que da vueltas alrededor de la cabeza hasta que se levantan otra vez. Y a diferencia de Anaximandro, relegó a las estrellas fijas a la región más distante de la Tierra. La característica más duradera del cosmos de Anaxímenes fue su concepción de que las estrellas estaban fijadas en una esfera de cristal como en un marco rígido, que se convirtió en un principio fundamental de la cosmología hasta Copérnico y Kepler.
Después de Anaxímenes, Pitágoras, Jenófanes y Parménides sostuvieron que el universo era esférico.Para las cosmologías esféricas de Jenófanes y Parménides ver: Heath ibid, capítulo 7 y capítulo 9 respectivamente; y Popper ibid, ensayos 2 y 3. Y mucho más tarde, en el , el Timeo de Platón propuso que el cuerpo del cosmos estaba hecho de la manera más perfecta y uniforme, la de una esfera que contenía las estrellas fijas.F. M. Cornford, Plato's Cosmology: The Timaeus of Plato, pp. 54–57. Pero postulaba que los planetas eran cuerpos esféricos colocados en bandas giratorias o anillos en lugar de llantas como en la cosmología de Anaximandro.
Surgimiento de las esferas planetarias
En lugar de bandas, Eudoxo, el alumno de Platón, desarrolló un modelo planetario usando esferas concéntricas para todos los planetas, con tres esferas cada una para sus modelos de la Luna y el Sol y cuatro para los modelos de los otros cinco planetas, habiendo así 26 esferas en total.Neugebauer, History of Ancient Mathematical Astronomy, vol. 2, pp. 677–685.Lloyd, Heavenly aberrations, p. 173. Calipo modificó este sistema, usando cinco esferas para sus modelos del Sol, Luna, Mercurio, Venus y Marte y reteniendo cuatro esferas para los modelos de Júpiter y Saturno, con 33 esferas en total. Cada planeta estaba unido al más íntimo de su propio conjunto particular de esferas. Aunque los modelos de Eudoxo y Calipo califican cualitativamente las características principales del movimiento de los planetas, no explican exactamente estos movimientos y por lo tanto no pueden proporcionar predicciones cuantitativas. Aunque los historiadores de la ciencia griega han considerado tradicionalmente estos modelos como representaciones meramente geométricas,Dreyer, History of the Planetary Systems, pp. 90–91, 121–122.Lloyd, Aristotle, p. 150. estudios recientes han propuesto que también estaban destinados a ser físicamente reales,Larry Wright, The Astronomy of Eudoxus: Geometry or Physics, Studies in History and Philosophy of Science, 4 (1973): 165–172. o sin pronunciarse, han señalado las limitadas pruebas para resolver la cuestión.G. E. R. Lloyd, Saving the Phenomena, Classical Quarterly, 28 (1978): 202–222, p. 219.
En su Metafísica, Aristóteles desarrolló una cosmología física de esferas, basada en los modelos matemáticos de Eudoxo. En el modelo celeste completamente desarrollado de Aristóteles, la Tierra esférica estaba en el centro del universo y los planetas eran movidos por 47 o 55 esferas interconectadas que formaban un sistema planetario unificado,Aristotle, Metaphysics 1073b1–1074a13, pp. 882–883 in The Basic Works of Aristotle Richard McKeon, ed., The Modern Library 2001 mientras que en los modelos de Eudoxo y Calipo cada conjunto de esferas del planeta no estaban conectados con los del próximo planeta. Aristóteles dice que el número exacto de esferas, y por lo tanto el número de motores, debe ser determinado por la investigación astronómica, pero añadió esferas adicionales a las propuestas por Eudoxo y Calipo, para contrarrestar el movimiento de las esferas exteriores. Aristóteles consideraba que estas esferas estaban hechas de un quinto elemento inmutable, el éter. Cada una de estas esferas concéntricas era movida por su propio dios —un inmutable e inmóvil movimiento inmóvil, y que mueve su esfera simplemente por el hecho de ser amado por ella."The final cause, then, produces motion by being loved, but all other things move by being moved" Aristotle Metaphysics 1072b4.
miniatura|Modelo Ptolemaico de las esferas de Venus, Marte, Júpiter y Saturno con epiciclos, deferentes y ecuantes. Georg von Peuerbach, Theoricae novae planetarum, 1474.
En su Almagesto, el astrónomo Claudio Ptolomeo (fl. 150 d. C.) desarrolló modelos geométricos predictivos de los movimientos de las estrellas y los planetas y los extendió a un modelo físico unificado del cosmos en sus Hipótesis Planetarias.Neugebauer, History of Ancient Mathematical Astronomy, pp. 111–12, 148.Pedersen, Early Physics and Astronomy p. 87Crowe, Theories of the World, pp.45, 49–50, 72.Linton, From Eudoxus to Einstein, pp.63–64, 81. Mediante el uso de excéntricos y epiciclos, su modelo geométrico alcanzó mayor detalle matemático y precisión predictiva que los modelos del cosmos esféricos concéntricos que habían sido expuestos anteriormente.Taliaferro, Translator's Introduction to the Almagest, p,1; Dreyer, History of the Planetary Systems, pp.160, 167. En el modelo físico de Ptolomeo, cada planeta estaba contenido en dos o más esferas,Neugebauer, History of Ancient Mathematical Astronomy, vol. 2, pp. 917–926. pero en el libro segundo de sus Hipótesis Planetarias Ptolomeo describe discos circulares densos en vez de esferas como en su primer libro. Una esfera-disco es la deferente, desde la Tierra; la otra esfera-disco es un epiciclo incrustado en el deferente, con el planeta incrustado en la esfera-disco epicíclico.Andrea Murschel, The Structure and Function of Ptolemy's Physical Hypotheses of Planetary Motion, Journal for the History of Astronomy, 26(1995): 33–61. El modelo de las esferas concéntricas de Ptolomeo proporcionó las dimensiones generales del cosmos, siendo la mayor distancia de Saturno veces el radio de la Tierra y la distancia de las estrellas fijas de al menos radios de la Tierra.