地心说的集大成者是2世纪罗马帝国天文学家托勒密。他将数学引进天文学，用数学来对天体运行轨道进行定量计算，因此可以对天体何时在哪个位置出现做出预见。
托勒密将亚里士多德9个层级的天体增加到11个层级，新增的两个层级叫做最高天和净火天。他认为，行星的运动不仅在围绕地球的圆形轨道均轮上运行，还以均轮上的一点为圆心，在一个较小的圆形轨道本轮上运行。这样，行星逆行现象就得到了很好的解释。
托勒密还认为地球并非正好位于均轮的中心，而是有所偏离。这一观点对时有出现的行星非匀速运动现象做出了解释。而观测到的行星运行的轨道，也并非严格意义上的圆形，托勒密又引入了另外的天体调节行星的轨道。
更重要的是，托勒密将阿波罗尼的本轮和均轮进行了深化。他在本轮上增加了一个叫做小轮的轨道，让小轮围绕本轮绕行，这样，使得天体运行轨道更精确。理论上，小轮可以根据需要不断增加，从而使轨道运行的运算结果无限接近于实际观测到的结果。
在一千多年的时间里，人们一直抱持托勒密的这种宇宙观念。这一观念能够如此长时间居于正统地位，原因在于：(www.xing528.com)
第一，当时的天文观测结果尚未发现足以对此观念提出毁灭性打击的天文现象。一些观测到的新天文现象，都可以运用托勒密模型或修正的托勒密模型给出有说服力的解释。
第二，通过托勒密模型计算得出的结果，也能满足当时航海所需要的定时定位要求。
第三，基督教神学的强力干预。基督教在西方世界占据重要地位，甚至在一段时间内还有着比世俗权力更高的地位。基督教巧妙地利用地心说，特别是有关第一推动和天体层级的说法，认为上帝就居于宇宙的最外层，是整个宇宙运行的第一推动者。
然而，一千多年间的大量天文观测结果（特别是航海开始后，人们的视野更为开阔，观测到的天象更丰富）反映出托勒密模型的问题越来越严重。为了使根据托勒密模型所计算出来的数据与观测结果相符合，天文学家不得不一个劲地增加小轮的数目，最多的已经超过80个小轮。尽管如此，两者之间的误差仍不能完全避免。这和科学家秉持的科学真理必须是简洁、和谐、美的观念发生了严重冲突。天文学家们都在努力解决这个冲突。
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