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古 代中国、古埃及、古印度、古巴比伦、古希腊和古罗马等文明古国是世界上天文学发展最早的国家。我国考古出土的殷墟甲骨文和古巴比伦泥板书上的楔形文字，都记载了不少天文方面的内容。许多民族观察天象的历史几乎和民族本身的历史一样长远。丰富的天象观测记录是世界各文明古国对天文学发展的重要贡献。天文观测方法、天球坐标系的创立、星座的划分以及历法等古代天文学的成就和精华，都被现代天文学继承和发展。下面将重点介绍古代中国和古希腊取得的天文学成就。
我国古代天文学的发展可以追溯到原始社会。春秋战国时期（公元前770—公元前222）开始有了比较系统的天文学观测记录。秦汉时期（公元前221—公元200），形成了以历法和天象观测为主的体系。历法的制定和修改成为各个朝代的政府行为，有专职的天文官吏，有经费，有发展计划，有史书详细记载天文学的大事。
我国古代天文学最重要的成果是对星空中的天体，如恒星、太阳、月亮、行星，以及众多天象进行观测，记录下非常丰富的观测资料。古代两河流域的迦勒底人最早把星空中数不清的星星划分为不同的星座。我国虽然比他们晚，但也创造了自己的星座划分体系。我国称星座为星官，其中最重要的星官是三垣二十八宿。三垣是比较大的天区，二十八宿则是把黄道、赤道附近的星象划分为二十八个大小不等的部分。这一体系对测量天体位置和形成优越的赤道坐标系起了非常重要的作用。为了测量天体位置，在每一宿中选取一颗星作为定标星，称为“距星”。当时确定距星的位置用的是天球赤道坐标系，这是我国独创的坐标系，也是现代天文学研究中应用最普遍的天球坐标系。
太阳是离我们最近的一颗恒星，早在公元前140年，我国就有关于太阳黑子的观测记录。之后，观测太阳黑子成为我国古代天文学家经常性的工作。欧洲关于太阳黑子的记录最早是在公元807年，比中国晚了近千年。我国古代日食的观测记录有很多，《尚书》详细地记录了一次发生在约4000年前的夏代仲康元年的日食。从2700多年前的春秋战国时期起，我国古书记载的日食观测记录越来越多，到元朝末年的公元1368年已有650条。
我国关于彗星的观测记录特别丰富，有500多条。长沙马王堆三号墓出土的帛书（图1-1）绘有29幅彗星图像，形态各异，都有明显的彗头和彗尾，这是战国时代的记录，和当代的观测结果很符合。最著名的哈雷彗星是英国天文学家哈雷（Edmond Halley）于1682年观测到的，他考察了过去的彗星记录，发现它是一颗轨道周期75—76年的彗星。经考证，我国古书《春秋》记载的公元前613年的一次彗星正是哈雷彗星的最早记录。之后，我国典籍对这颗彗星的记录多达31次。
我国古代记录的流星雨事件多达180次。关于流星、流星雨、陨星的观测记录不仅多，而且十分精彩。《宋书·天文志》记载的一次公元461年天琴座流星雨是这样描写的：“有流星数千万，或长或短，或大或小，并西行，至晚而止。”
宇宙中最为壮观和激烈的天象莫过于超新星爆发。自商代到17世纪末，我国古籍记载的“客星”约有90颗，其中12颗是超新星。最著名的是发生在1054年的“客星”。《宋会要》记载表明，这颗超新星在白天能看见，像金星一样芒角四射。经国际天文学界证认，当今被誉为“全波段天文学实验室”的蟹状星云（彩图4a），就是这颗“客星”的遗迹。
图1-1 马王堆出土的帛画《天文气象杂占》
为了观测天体，我国很早以前就有了多种多样的天文仪器，最有名的是浑仪。“浑”字的意思是圆球，浑仪由多个代表不同坐标系的大圆环组成，主体部分是一个大圆球，它可以测量天体的赤道坐标。浑仪历史悠久，可追溯至公元前4世纪至公元前1世纪之间。元朝天文学家郭守敬于1276年把结构复杂的浑仪进行简化革新成为简仪。简仪中的赤道经纬仪与现代望远镜中广泛应用的赤道装置的基本结构相同，只对南北极天区附近有些遮挡。
在天文观测之外，我国古代对宇宙的结构及起源也有一定的思考和猜想。远在2300多年前的春秋时代，伟大诗人屈原写出了诗篇《天问》，向万事万物的源头——宇宙发出了一连串的问题：天地四方、日月星辰，从何而来？是什么力量维系着斗转星移、时空流逝？屈原所处的先秦时代，人们对宇宙的认识是“天圆地方”，借此理解头顶上笼罩的圆形的天、脚下辽阔的大地。当时流行的宇宙结构是天有九重，它们都围绕着同一个枢纽旋转着，天由八根擎天柱支撑着，天穹上分为十二个星次。这种由直观感觉想象出来的宇宙结构，问题当然很多，屈原提出了一系列的疑问也很自然。《天问》是我国关于宇宙形成理论最早的文字记录，可以把屈原所问的问题看成当时流行的宇宙学看法。
在《天问》之后的《淮南子·天文训》中，明确地阐述了宇宙是从混沌中产生的理论，认为宇宙最早是一种虚无无形的状态，然后演变为混沌的物质状态，再分出元气，形成天地，最后产生日月星辰、世间万物。
我国古代出现一大批成就卓著的天文学家，主要在历法、天文仪器研制和天文实测方面，如张衡（78—139）、祖冲之（429—500）、一行（683—727）、沈括（1031—1095）、郭守敬（1231—1316）等。中国古代在天文理论方面的研究比较薄弱，这也是后来中国天文学渐渐落后的原因之一。
古希腊的天文学很发达，在观测和理论方面都有杰出的成就。喜帕恰斯（Hipparchus，约公元前190—约公元前120）对太阳和月球的运行轨迹进行观测，制作星盘，测量地球的公转周期和月球的轨道周期，并第一次尝试测量地月距离。他得到的结果为260 000 km，虽然与现在测得的平均地月距离384 401 km相差甚远，但在当时也是相当不错的结果了。此外，喜帕恰斯还观测并绘制了包含至少850颗恒星的星表。他依据肉眼观测的恒星亮度，把恒星划分为6个等级，即最亮的1等星到最暗的6等星，创建了星等系统，并被沿用至今。
古希腊天文学家通过观测天体对宇宙的结构有了比较理性的认识。在托勒玫之前，天文学家已经对太阳、月亮以及水、金、火、木、土五大行星在天球上的视运动的规律有比较好的了解：行星在众多的恒星中游走；行星视运动的轨迹有顺行、逆行和留（停留不动）几种情况；太阳和月亮始终自西向东穿行，时快时慢。面对这些观测结果，古希腊天文学家自然想要回答：行星视运动的复杂轨迹是怎样形成的？如何预报行星未来的走向？
在托勒玫以前的800年间，古希腊天文学先后形成四大学派，提出了多种理论来解释宇宙的结构。那个时期人们心目中的宇宙就是今天的太阳系五大行星运行的范围。托勒玫大约在公元140年提出了改良版“地心说”（图1-2），论证最充分、计算最精确，成为当时与观测符合得最好的一种理论模型。
图1-2 古希腊天文学家托勒玫和他的“地心说”宇宙结构示意图
托勒玫的“地心说”提出的宇宙结构是：地球位于宇宙中央静止不动，行星、月球、太阳和恒星每天绕地球自东向西转一周，离地球最近的第一圈轨道上是月球，然后依次为水星、金星、太阳、火星、木星和土星，最外的一层是恒星天。这样的理论模型能够解释观测到的太阳、月亮和恒星的东升西落，也能比较牵强地解释行星的顺行、逆行和留的现象。
托勒玫建造的理论模型能够定量地解释行星、月亮和太阳的视运动轨迹，还能预报行星的运行走向。如果发现理论计算结果与观测不符合，可以调整其模型使之与观测结果基本一致。因为那个年代全凭肉眼观测，观测精度不高，也就掩盖了“地心说”的错误。尽管托勒玫的地心体系是错误的，但在天文学发展的初期阶段还是具有一定的积极意义。托勒玫构建的“地心说”模型不是一个定性的、描述性的体系，而是一个定量的、可以预报行星未来位置的体系。他从研究观测现象出发，建立天体运动的几何图像（理论模型），使之能够解释观测到的复杂现象，预报天体未来的视位置，并用新的观测资料来加以检验。这种研究方法在当时是先进的，也是科学的。在1800多年前，托勒玫就有这样的成就，不愧为一位杰出的天文学家。
然而，由于欧洲当时的教会势力太大，政教合一，天文学成为为宗教服务的工具。教廷竭力支持地心学说，把“地心说”和上帝创造世界融为一体。教会在把“地心说”钦定为“真理”的同时，残酷迫害与“地心说”观点不同的各种学说的传播者，使得托勒玫的“地心说”长期占据统治地位，对天文学的发展起到阻碍作用。这当然不能由托勒玫本人负责，但不得不说是一种遗憾。