Su obra maestra, de revolutionibus orbium coelestium(Sobre las revoluciones de las esferas celestes), fue escrita a lo largo de unos veinticinco años de trabajo (1507-1532) y fue publicada póstumamente en 1543 por Andreas o Osiander, pero muchas de las ideas básicas y de las observaciones que contiene circularon a través de un opúsculo titulado The hypothesibus motuum coelestium a se constitutis commentariolus (no editado hasta 1878), que, pese a su brevedad, es de una gran precisión y claridad.
Copérnico estudió los escritos de los filósofos griegos buscando referencias al problema del movimiento terrestre, especialmente los Pitagoricos y Heraclides Pontico, quienes creían en dicha teoría. En cuanto a la teoría heliocéntrica en sí, hasta donde se sabe hoy, fue concebida por primera vez por Aristarco de samos (310-230 a. C.), a quien curiosamente no nombra en su obra. Es preciso centrar el valor real de sus estudios en el hecho de reimponer teorías ya rechazadas por el «sentido común» y de darles una estructuración coherente y científica.
La ruptura básica que representaba para la ideología religiosa medieval, la sustitución de un cosmos cerrado y jerarquizado, con el hombre como centro, por un universo homogéneo e indeterminado (y a la postre incluso infinito), situado alrededor del Sol, hizo dudar a Copérnico de publicar su obra, siendo consciente de que aquello le podía acarrear problemas con la Iglesia; por desgracia, a causa de una enfermedad que le produjo la muerte, no alcanzó a verla publicada. Copérnico aún estaba trabajando en el De revolutionibus orbium coelestium (aunque aún no convencido de querer publicarlo) cuando en 1539 Georg Joachim Rheticus, un matemático de Wittenberg, llegó a Frombork. Philipp Melanchthon había arreglado para Rheticus su visita a diversos astrónomos y el estudio con ellos. Rheticus se convirtió en el pupilo de Copérnico, viviendo con él por dos años, tiempo durante el cual escribió un libro, Narratio Prima (primer recuento), resumiendo la esencia de la teoría de Copérnico. En 1542 Rheticus publicó un tratado de trigonometría escrito por Copérnico (incluido después en el segundo libro de De revolutionibus). Bajo gran presión por parte de Rheticus, y habiendo visto la reacción favorable del público frente a su trabajo, Copérnico finalmente accedió entregar el libro a su amigo cercano Tiedemann Giese, obispo of Chelmno (Kulm), a ser entregado a Rheticus para ser impreso por Johannes Petreius en Nyewmberg. La primera edición del De Revolutionibus aparece en 1543 (el mismo año de la muerte del autor), con una larga introducción en la que dedica la obra al Papa Pablo III, atribuyendo su motivo ostensible para escribirla a la incapacidad de los astrónomos previos para alcanzar un acuerdo en una teoría adecuada de los planetas y haciendo notar que si su sistema incrementaba la exactitud de las predicciones astronómicas, esto permitiría que la Iglesia desarrollara un calendario más exacto (un tema por entonces de gran interés y una de las razones para financiar la astronomía por parte de la Iglesia).
El trabajo en sí estaba dividido en seis libros:
1. Visión general de la teoría heliocéntrica, y una explicación corta de su concepción del mundo.
2. Básicamente teórico, presenta los principios de la astronomía esférica y una lista de las estrellas (como base para los argumentos desarrollados en libros siguientes).
3. Dedicado principalmente a los movimientos aparentes del Sol y a fenómenos relacionados.
4. Descripción de la Luna y sus movimientos orbitales.
5. Explicación concreta del nuevo sistema.
6. Explicación concreta del nuevo sistema (continuado)
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