La teoría de las esferas celestes, u orbes celestes, tiene su origen en dos fuentes principales de la antigüedad: Aristóteles y Ptolomeo. En Sobre los cielos, Aristóteles (384–322 a.C.) sostuvo que los cielos están llenos de una sustancia peculiar: no tenía ninguna de las propiedades (caliente, frío, húmedo, seco, duro, blando, etc.) de la materia ordinaria y, por lo tanto, no estaba sujeto a ningún tipo de cambio más allá de su tendencia innata a moverse en un círculo alrededor del centro del universo. En la Metafísica, describió un nido de esferas, dejando a los astrónomos (mencionó a Eudoxo y Calipo) decidir cuántas esferas serían necesarias.
Ptolomeo (100 – 170) abordó las esferas desde una perspectiva diferente: su principal preocupación era construir una teoría matemática que pudiera predecir con precisión las posiciones planetarias. Sus círculos no eran concéntricos y no quedaba claro en su presentación si los consideraba físicamente reales. Ni siquiera consideró la pregunta de Aristóteles sobre si las esferas debían ser concéntricas con el centro del universo. Sin embargo, dispuso sus tamaños de tal manera que el aparato de orbes pertenecientes a cada planeta en su conjunto encajara exactamente entre el aparato de los planetas adyacentes. La Luna estaba más abajo, seguida de Mercurio, Venus, el Sol (que era un planeta en su sistema geocéntrico), y así sucesivamente.
Había, por tanto, una tensión inherente en la idea de las esferas celestiales tal como la heredaron los escolásticos medievales. Sostenían una amplia variedad de puntos de vista, desde la aceptación completa de la realidad física de todas las esferas de los astrónomos hasta la negación de todas ellas como meras ficciones matemáticas. Sin embargo, la visión más comúnmente aceptada fue un compromiso que afirmaba la realidad de los orbes mayores, tanto concéntricos como excéntricos, mientras que dejaba una cuestión abierta la realidad de los orbes y círculos más pequeños. Debe notarse que ninguno de los orbes planetarios fue descrito como “cristalino”. El coelum crystallinum, o cielo cristalino, a veces se incluía como una esfera más allá de las estrellas fijas. Se lo denominaba “cristalino” para armonizar con el relato bíblico de las aguas sobre los cielos (Génesis 1.7).
En el siglo XVI, el debate sobre la naturaleza de la sustancia celestial y de los orbes era vigoroso, y no había un consenso claro. Sin embargo, son evidentes varias tendencias importantes. Primero, estaba la Reforma y la reacción católica a ella, las cuales tendían a enfatizar la cosmología bíblica en lugar de la de Aristóteles. En segundo lugar, otras visiones no aristotélicas, como las de los estoicos y los alquimistas, estaban atrayendo adeptos. Ambas tendencias tendían a hacer más aceptable la idea de que los cielos se parecían en algo a la tierra. En tercer lugar, varios astrónomos técnicamente competentes, como Nicolaus Copernicus (1473-1543), Tycho Brahe (1546-1601) y Guillermo, landgrave de Hesse-Kassel (1532-1592), encontraron formas de apoyar su trabajo fuera de las universidades y, por lo tanto, estaban menos limitados por el plan de estudios oficial. Y en cuarto lugar, había una tendencia incluso entre los escritores astronómicos y filosóficos tradicionales a dar más peso a la astronomía matemática a la hora de determinar la realidad física.
El resultado fue una tendencia a permitir que los cielos fueran algo así como la tierra (aunque por lo general más puros e inmutables), y a considerar la cuestión, rara vez planteada antes, de si los cielos son sólidos (es decir, duros) o fluidos. Una vez que la pregunta se formuló de esta manera, se hizo posible responderla apelando a las observaciones. El astrónomo danés Tycho Brahe, filosóficamente alquimista, hizo observaciones cuidadosas del cometa de 1577 y determinó que había estado pasando por las regiones celestiales, argumentando así contra las esferas. Publicó sus resultados junto con cartas de otros astrónomos cuyas observaciones respaldaban su conclusión.
Los defensores de las esferas reales no tuvieron una respuesta efectiva, y aquellos que intentaron impugnar los argumentos técnicos de Brahe sólo lograron mostrar su ignorancia. Las observaciones de otros cometas en las décadas siguientes apoyaron las conclusiones de Brahe y, a mediados de la década de 1620, incluso los aristotélicos convencionales se sentían cómodos con la idea de cielos llenos de líquido a través de los cuales los planetas se movían “como pájaros en el aire o peces en el agua”, como lo había expresado Cicerón.
La esfera de las estrellas fijas, aunque duró algo más, también había perdido su función. Para los copernicanos, las estrellas estaban en reposo y, por lo tanto, no necesitaban estar unidas a nada para mantenerse en formación. Pero los geocentristas tampoco tenían ninguna razón convincente para mantener la esfera estelar. Porque, si los planetas podían moverse con perfecta regularidad sin esferas, ¿por qué no podían hacer lo mismo las estrellas?
La última esfera, la limitante, resultó más duradera. La principal dificultad para abandonarla era la cuestión del lugar del cielo de Dios. El universo medieval, cuyo mejor ejemplo es quizá la Divina Comedia de Dante, estaba ordenado jerárquicamente, con ángeles y santos, e incluso Dios mismo (era el cielo empíreo), presentes principalmente en una región invisible más allá de las estrellas. A medida que la estructura jerárquica se debilitaba a principios del siglo XVII y la organización esférica se ponía en tela de juicio, el cielo empíreo empezó a recibir una cantidad inusual de atención, principalmente de los jesuitas españoles, pero también de varios escritores italianos y franceses. El empíreo propuesto por estos autores se diferenciaba del empíreo tradicional de épocas anteriores en que desempeñaba un papel activo en el gobierno y el movimiento del universo físico, por lo demás inerte, que se encontraba debajo de él. Esta última defensa de la finitud fue contrarrestada muy eficazmente por los enfoques dualistas de René Descartes (1596-1650) y Galileo Galilei (1564-1642).
Al colocar a Dios y los espíritus decisivamente en una categoría ontológica diferente, de modo que no existieran en el espacio, Descartes hizo superfluo el empíreo circundante. Además, todas las acciones físicas, ya sean celestiales o terrestres, tuvieron lugar de acuerdo con los principios naturales, sin la interferencia de Dios o los ángeles. El dualismo de Galileo era más pragmático y metodológico. Sostuvo que Dios y el cielo de la teología están más allá del alcance de la física y, por lo tanto, no deberían incluirse en tales teorías. Expresó ignorancia sobre si el universo tenía o no un límite, aunque creía que era impío establecer límites previos al poder de Dios para crear un universo cuyo tamaño exceda nuestra comprensión.
Aunque en la última parte del siglo XVII no faltaron del todo los defensores del universo esférico, e incluso de las esferas planetarias, su opinión era cada vez más minoritaria. Una vez que se desmoronó la jerarquía del cosmos medieval con su nido de esferas cada vez más exaltadas, el cosmos esférico era difícil de justificar. Incluso aquellos que profesaban la creencia en una Tierra central e inmóvil, como el jesuita Athanasius Kircher (1602-1680), pudieron permitir que la región estelar se extendiera indefinidamente hacia afuera, y que su velocidad aumentara jubilosamente con su altitud.