מתמטיקה – אחת התרומות החשובות של המדע הערבי הגיעו מפיתוח ענפים במתמטיקה שלהם הייתה חשיבות רבה בהתפתחות הפיזיקה. מוחמד אבן מוסא אל-ח'ואריזמי (על שמו קרוי המונח אלגוריתם) נחשב למייסד האלגברה, ומקור המילה "אלגברה" היא בכותרת ספרו של אל-ח'ואריזמי "חיסאב אל-ג'אבר ואל-מוקאבלה" ("חשבון ההשלמה וההקבלה"). בנוסף המלומדים הערביים למדו את ספריו של אריאבהטה, מלומד הודי, ומהם למדו את השיטה העשרונית לכתיבת מספרים, וכן את מדע הטריגונומטריה – שאותו הם שיכללו.
אלכימיה – מלומדים ערביים העמיקו בחקר האלכימיה, ענף שבו על ידי ערבוב חומרים שאפו להפוך מתכות פשוטות לזהב, וכן ליצור את אבן החכמים – תרופה שתאפשר חיי נצח. האלכימיה מייסודה כללה שילוב של שיטות מדעיות יחד עם אמונות טפלות ומיסטיקה, אך היא יצקה את הבסיס לכימיה המודרנית. שיטות העבודה והחומרים שהתגלו בעבודותיהם של אלכימאים הפכו לכלים מרכזיים בפיזיקה.
ימי הביניים באירופה.
התקופה שבין המאה ה-5 למאה ה-16 לספירה קרויה במערב בשם "ימי הביניים", ומציינת את התקופה שבין העת העתיקה והרנסאנס. תקופה זאת באירופה נחשבת כתקופה של קיפאון מדעי, בה הכנסייה שלטה על סדר היום הציבורי והמחקר המדעי הצטמצם לכדי העתקה ולימוד של כתבי הקודש וכתביהם של חכמי יוון העתיקה (בעיקר כתביו של אריסטו). מאידך, בתקופה זו הפכה ההשכלה הציבורית לרווחת יותר, הוקמו האוניברסיטאות הראשונות ויותר מדענים החלו להיות מועסקים באוניברסיטאות ובחצרות של נסיכים ומלכים. כתבים ערביים הכוללים את ה"אלמגסט", את "ספר האופטיקה" של אבן אל-היית'ם ונוספים תורגמו ללטינית, ויחד איתם הגיעו לאירופה תורות כמו האופטיקה, האלכימיה, האלגברה והטריגונומטריה. כמו כן חלו התפתחויות טכנולוגיות רבות הקשורות לשימוש באבק שרפה, בתותחים, במשקפיים ובטכנולוגיות הקשורות לספנות ונווטות ולמעשה נוצקו היסודות שיאפשרו את הפריחה הגדולה שתחל בתקופת הרנסאנס.
תפיסת העולם התאולוגית-קוסמולוגית באירופה של ימי הביניים.
במאה ה-13 הכניסה הכנסייה הקתולית את הפיזיקה של אריסטו במסגרת השקפתה התאולוגית. התאולוג תומאס אקווינס שילב את התאוריות הקוסמולוגיות האריסטוטליות בתאולוגיה של הכנסייה. בימי הביניים סמכותה האינטלקטואלית של הכנסייה הקתולית הייתה בלתי מעורערת. היא דגלה בהשקפת עולם קוהרנטית וכוללנית, שבה משולבים יסודות פיזיקליים-אריסטוטליים ורעיונות תאולוגיים. היקום האריסטוטלי קיבל מקום ומשמעות החורגים בהרבה מתוכנו הקוסמולוגי. השמים נתפסו כמקום משכנו של האל, מרכז האדמה כמקום משכנו של השטן, והאדם נמצא בתווך – שם מקומו, על פי השקפת הכנסייה, על מהותו של האדם ויכולת הבחירה בין טוב לרע. מהפכה בתחום האסטרונומיה, אם כן, הייתה צריכה להיות בהכרח בעלת השלכות עמוקות גם על התאולוגיה. באותה תקופה שימשו התורות הללו כבסיס האידאולוגי של המשטרים הקיימים. סמכותו של מלך, למשל, נתפסה כנובעת במישרין מרצון האל. ערעור יסודות התאולוגיה היה אפוא בעל משמעות והשלכות מהפכניות חברתיות ופוליטיות.
המהפכה המדעית באירופה (המאה ה-16 וה-17).
תקופת הרנסאנס, שהחלה באיטליה במאה ה-14, הייתה תקופה של תחייה והתחדשות בכל ענפי התרבות, הרוח והמדע. המהפכה המדעית הייתה בראש ובראשונה מהפכה בשיטת המחקר המדעי: ביסוס המדע על ניסוי ועל תורות מתמטיות. בתחום הפיזיקה, חל שינוי בתפישת העולם; תנועת הכוכבים הוסברה בעזרת מודל לפיו כדור הארץ סובב את השמש ולא ההפך (ראו גם: המודל ההליוצנטרי). עבודותיהם של גלילאו גליליי ואייזק ניוטון ביססו את המכניקה והדינמיקה; נוסדה האופטיקה המודרנית, בעיקר בזכות עבודותיהם של יוהאנס קפלר, ניוטון וכריסטיאן הויגנס; הומצאו המצאות רבות, ביניהן הטלסקופ, המיקרוסקופ ושעון המטוטלת, שלהן תהיה השפעה רבה על התפתחות הפיזיקה; כמו כן, חלו התפתחויות בשאר תחומי המדע – הביולוגיה, הכימיה, האלכימיה ומדעי הרפואה, שלהם תהיינה השפעות עקיפות אך משמעותיות על התפתחות הפיזיקה.
בכל רחבי אירופה, החל מראשית המאה ה-16, היה מפץ של פעילות אינטלקטואלית, כתוצאה ממכבש הדפוס שהכפיל את מספרם ואת המגוון של ספרים בתפוצה כללית. אנשים יכלו כעת ללמוד ממקור ראשון יותר טקסטים מאשר אי פעם. הפרסום מחדש בוונציה של הספרים המקוריים של ארכימדס עורר גל חדש של מחקר מתמטי, ומעתה והלאה עבודותיהם של חוקרים היו נגישות לעמיתיהם בארצות אחרות תוך מספר חודשים. הדפוס יצר שינוי ניכר ביותר ביעילות של התקשורת המדעית. אנשים שגרו במקומות רחוקים זה מזה יכלו מעתה לשתף פעולה. לפני 1500, גם אם הושגו הישגים מדעיים ומתמטיים הם לא הפכו לנחלת הכלל ולכן אבדו, אך החל מ-1550 לערך, החל תהליך של האחדת הידע וחוקר בתחום מסוים בתקופה זו קרא את החומר הישים לעבודתו שפורסם על ידי אחרים, דבר שאפשר לו להמשיך את מחקריו מעמדה עדכנית, ולא מאפס או כמעט מאפס.
ביסוס המדע על ניסוי.
בימי הביניים באירופה הלימוד המדעי התבסס בעיקר על למידה של כתביהם של הפילוסופים של יוון העתיקה, ובראשותם אריסטו, ועל תיאור ניסויי מחשבה המבוססים על ניסיון יומיומי. מדענים אסלאמיים, ובראשם אבן אל-היית'ם טענו שיש להשתמש בניסויים על מנת לבסס תפיסות מדעיות.
ביסוס המדע על ניסוי הוא אחד הרעיונות המרכזיים שבוססו במהלך המהפכה המדעית. הסמל המפורסם ביותר לשיטה זאת היה גלילאו גליליי. בניסוי מפורסם (אם כי יש טענות שהניסוי מעולם לא התבצע באמת) של השלכת עצמים מהמגדל הנטוי בפיזה, הוא הראה שבנפילה חופשית, גופים בעלי משקלים שונים מגיעים לארץ בו זמנית. ניסוי זה סתר את התאוריה של אריסטו שהייתה מקובלת באותם ימים, לפיה ככל שמסתו של גוף גדולה יותר כך הוא יגיע מהר יותר לקרקע. גליליי תמך בתורתו של קופרניקוס, לפיה כדור הארץ מסתובב סביב השמש ולא להפך, תאוריה שסתרה את עמדת הכנסייה. בשל כך הועלה למשפט, ונגזר עליו מאסר ממושך שלבסוף הומתק למאסר בית. משפט זה מסמל יותר מכל את הקרע שהחל להתהוות בין המדע לבין הדת. אירוע נוסף שהיה חשוב לביסוסה של השיטה המדעית החדשה הוא הופעתם של כוכבים חדשים בשמים בשנים 1540 ו-1604. תופעה זאת, שמוסברת היום על ידי התפוצצות סופרנובות, הייתה בעלות משמעות מיוחדת מכיוון שהיא סתרה את התורה של אריסטו, לפיה הספירה העליונה ביותר של הכוכבים היא מושלמת ולא ייתכנו בה שינויים.
כדור הארץ והשמש.
את ראשיתה של המהפכה המדעית נהוג לראות בעבודותיו של ניקולאוס קופרניקוס (1473–1543). קופרניקוס נתן מודל לתנועת כוכבי הלכת, לפיו השמש נמצאת במרכזה של מערכת השמש, וכדור הארץ ושאר כוכבי הלכת נעים סביבה במעגלים. מודל זה נקרא "המודל ההליוצנטרי", לעומת המודלים הגאוצנטריים שקבעו שכדור הארץ נמצא במרכז היקום. ספרו של קופרניקוס, "על תנועתם של גרמי השמים" (De revolutionibus orbium coelestium), התפרסם רק לאחר מותו.
המודל ההליוצנטרי שהציע קופרניקוס התבסס על מערכת האפיציקלים שעליה היה מבוססים המודלים הגאוצנטריים, ולמעשה היה מסובך יותר מהם משום שהכיל יותר אפיציקלים. השוני המהותי מהמודלים הגאוצנטריים, בנוסף לכך שהשמש הייתה במרכז ולא הארץ, היה שכוכבי הלכת תמיד במרכזו של מעגל ולא בנקודה אחרת בתוך מעגל, מה שנתפס על ידי קופרניקוס כהנחה לא תקינה.
יוהאנס קפלר (1571–1630) הושפע מקופרניקוס והציע מודל הליוצנטרי משלו. קפלר שנולד והתחנך בגרמניה, התקבל לחצרו של האסטרונום טיכו ברהה בפראג. טיכו היה האסטרונום הגדול ביותר בתקופה שקדמה לטלסקופ. קפלר סבר שמסלולי כוכבי הלכת תואמים את חמש הצורות הגאומטריות המושלמות, אך הוא מעולם לא הצליח ליישב את ההשערה הזאת בדיוק מספיק עם המדידות. משום כך פנה אל טיכו שברשותו היו המדידות המדויקות ביותר של המרחקים אל הכוכבים שהיו בנמצא באותה עת. טיכו קיבל את קפלר בחמימות לחצרו, אך חשש לתת לו גישה אל הנתונים מכיוון שהוא לא האמין במודל ההליוצנטרי (טיכו האמין בתפיסה שהכוכבים נעים סביב השמש, אך השמש נעה סביב כדור-הארץ).
לאחר שרשרת של ויכוחים מרים, קיבל קפלר גישה אל הנתונים שנאספו לגבי התנועה של מאדים. בתחילה הכריז קפלר שהוא יצליח לפענח את הנתונים תוך חודשיים, ואולם המלאכה דרשה ממנו שבע שנים, ולבסוף הביאה אותו למסקנה שמסלוליהם של הכוכבים סביב השמש אינם מעגליים אלא אליפטיים. בכך נפטר קפלר ממערכת האפיציקלים המסובכת. בנוסף, הוא גילה שבתנועתם סביב השמש, הכוכבים מכסים שטחים שווים במרווחי זמן שווים – ומכאן שככל שהכוכבים קרובים יותר לשמש – כך מהירותם גדלה. כמו כן גילה שזמן המחזור של כוכבים יחסי לחזקה של המרחק שלהם מהשמש, ומכאן שככל שמרחקם של כוכבי הלכת מהשמש גדל, כך זמן המחזור שלהם גדול יותר. חוקים אלו ידועים היום בתור שלושת החוקים של קפלר.
הדינמיקה של גלילאו.
גלילאו גליליי (1564–1642) היה אחד המדענים הראשונים לחקור את הדינמיקה לעומק. הוא גילה, בין השאר, שתנועה של גופים בנפילה חופשית היא פרבולית, וכן שזמן המחזור של מטוטלות אינו תלוי במשרעת (אמפליטודה) שלהן.
בצעירותו ניסה גלילאו לתת ביטוי מתמטי לפיזיקת האימפטוס, שהתפתחה מהפיזיקה של אריסטו. אולם, מושג האימפטוס, שלא התיישב היטב עם הפיזיקה האריסטוטלית, היה מבולבל וקשה לכימות. כדי לתת ביטוי מתמטי לתופעות הטבע, גלילאו ויתר עליו לחלוטין ובנה תחתיו תורה חדשה של תנועת עצמים על פני כדור הארץ, שהחליפה את תורת התנועה של אריסטו. הרעיון העומד בבסיסה של תורת התנועה של אריסטו הוא שגופים שואפים להגיע למקומם הטבעי. לעומת זאת, העיקרון שעומד בבסיסה של תורת התנועה החדשה של גלילאו הוא עיקרון ההתמדה.