Die ersten Zweifel, ob man es bei der Erde wirklich mit einer Kugel zu tun habe, entstanden bei weiten Reisen. Begab man sich von Griechenland nach Ägypten, so tauchten im Süden Sterne auf, die man in Griechenland nicht zu sehen bekam. Um von diesen und ähnlichen Beobachtungen aus zu der Vorstellung der kugelförmigen Gestalt der Erde zu gelangen, dazu bedurfte es jedoch keines geringen Abstraktionsvermögens. Sobald man aber die Erde für eine Kugel hielt, war der erste Schritt zu jener Vorstellung vom Kosmos, die wir heute hegen, getan. Lag es doch nahe, die gewonnene Anschauung mit der Annahme zu vereinen, daß Mond und Sonne als ähnliche große Kugeln, weit entfernt von der Erde, frei im Raume schweben.
Mit dieser im griechischen Altertum entstandenen Erweiterung des Weltbildes waren zwei der großartigsten Probleme gegeben, welche die Menschheit bis in die Gegenwart hinein mit immer größerer Genauigkeit zu lösen gesucht hat. Es galt nicht nur die Größe der Erdkugel, sondern auch ihren Abstand von den benachbarten Himmelskörpern zu bestimmen.
Den Gedanken, die Größe der Erdkugel zu ermitteln, verwirklichte der alexandrinische Gelehrte Eratosthenes. Es hat Zeiten gegeben, in denen man von den Leistungen der Alten mit hochmütiger Geringschätzung sprach. Wer zu einem etwas tieferen Verständnis der Geschichte der Wissenschaften gelangt ist, wird der Erdmessung des Eratosthenes und ähnlichen Problemen, welche die Alten lösten, seine Anerkennung nicht versagen und einsehen, daß die Begründung der neueren Wissenschaft dadurch erfolgte, daß man auf die Arbeiten der Alten zurückgriff. In ganz besonderem Maße gilt das von der Astronomie und damit von der Entstehung des modernen Weltbildes.
Die Bestimmung des Erdumfanges durch Eratosthenes bildete sozusagen den Hebel für das Problem, messend über die Erde hinauszugelangen und auf diese Weise in die Gliederung des Weltgebäudes einzudringen. Zuerst gelang es Aristarch, von der Größe und der Entfernung der uns nächsten Weltkörper ein annähernd richtiges Bild zu erhalten. Aristarch legte die Ergebnisse seiner Messungen und seines Nachdenkens in einer Schrift »Über die Größen und Entfernungen der Sonne und des Mondes« nieder. Aus dieser Schrift, von der einiges erhalten geblieben ist, ersieht man, daß Aristarch den Mond für etwa 30 (statt 48) mal so klein, die Sonne dagegen für 300 (statt 1,300,000) mal so groß wie die Erde hielt. Die mittlere Entfernung des Mondes von der Erde bestimmte Hipparch zu 59 (statt 60) Erdhalbmessern. Da man die Größe der Erde durch Eratosthenes kennen gelernt hatte, so ließ sich der Abstand Erde-Mond sogar in absolutem Maß ausdrücken.
Da Aristarch mit ziemlicher Sicherheit zu schließen vermochte, daß die Sonne ein viele tausendmal größerer Weltkörper ist als unser Trabant und daß sie auch die Erde ganz erheblich an Größe übertrifft, so regte sich in ihm der Zweifel, ob die Erde tatsächlich den Mittelpunkt des Ganzen bilde und die um so viel größere Sonne sich wirklich um die Erde bewege. So kam es, daß Aristarch die heliozentrische, die Sonne als Mittelpunkt des Alls betrachtende Lehre schon 1800 Jahre vor Koppernikus aussprach. Trotzdem siegte, als im 2. Jahrhundert n. Chr. die Astronomie durch Ptolemäos in ein System gebracht wurde, die geozentrische Ansicht. Das Ptolemäische System blieb während des Altertums und durch das ganze Mittelalter hindurch in Geltung. Das Wesentlichste und die Mitte der Welt war danach die im Zentrum ruhende Erde. Um sie bewegten sich der Mond, die Sonne, die Planeten und der gesamte Fixsternhimmel.
Man mußte mancherlei Annahmen machen, um die am Himmel beobachteten Vorgänge mit diesem System in Einklang zu bringen. Die größten Schwierigkeiten machten die Planeten. Bei ihnen wechselte nicht nur die Geschwindigkeit, mitunter schienen sie sogar stillzustehen, und schließlich bewegten sie sich auf ihrer Bahn zeitweise in umgekehrter Richtung. Um dies alles zu erklären, ohne den Grundsatz der gleichmäßigen und kreisförmigen Bewegung der Weltkörper zu verlassen, ließ man die Planeten in einem Epizykel laufen, d. h. in einem kleineren Kreise, dessen Mittelpunkt sich auf einer größeren Kreisbahn um die Erde bewegen sollte. Je genauer man den Lauf der Planeten beobachten lernte, um so weniger entsprachen die Beobachtungen der immer verzwickter werdenden Epizyklentheorie. Doch sollten gerade die Irrwege, in die sich die Astronomen des Altertums und des Mittelalters verrannt hatten, für Koppernikus der Anlaß werden, über eine andere Möglichkeit des Weltenbaues nachzusinnen.
Wie für die Astronomie, so wurden auch für die übrigen Zweige der Naturwissenschaften während des Altertums die wichtigsten Grundlagen geschaffen. Es kann indessen hier nicht im einzelnen wiederholt werden, wie weit der Mensch im Altertum in der Erforschung des eigenen Körpers und der übrigen Lebewesen, der Mineralien und der Gesteine, sowie der physikalischen und chemischen Kräfte gelangt ist. Nur das eine sei hervorgehoben, daß damals auch auf diesen Gebieten das Fundament gelegt wurde, auf dem die Neuzeit nach dem Wiederaufleben der Wissenschaften, also etwa seit dem 16. Jahrhundert, weiterbauen konnte, um zur Beherrschung der Natur und zu jenem Weltbild zu gelangen, das wir heute als das wichtigste theoretische Ergebnis der gesamten naturwissenschaftlichen und naturphilosophischen Forschung besitzen.
Als einen der wesentlichsten Mängel des Altertums hat man es immer betrachtet, daß das Experiment zu wenig gewürdigt wurde. Es ist indessen eine Übertreibung, wenn man sagt, die Alten hätten nicht experimentiert. Das Hüttenwesen, die Metallurgie, die Glasbereitung, die Färberei und viele andere Zweige des gewerblichen Lebens regten im Altertum zu zahlreichen Versuchen an. Dafür, daß mitunter auch der Gelehrte experimentierte, ist der große Mathematiker und Physiker Archimedes ein Beispiel. Durch seine Verknüpfung der mathematischen Betrachtungsweise mit sinnreich ausgedachten Versuchen wurde er der Schöpfer der wissenschaftlichen Mechanik.
Zahlreiche Untersuchungen über das Verhalten der Gase und der Dämpfe stellten die alexandrinischen Gelehrten an. Einer von ihnen verwendete den Dampf sogar schon zum Betriebe einer maschinellen Vorrichtung. Ein anderer führte eine ganze Versuchsreihe durch, um das als Brechung bekannte Verhalten eines Lichtstrahls, der in Wasser eindringt, kennen zu lernen. Seine Ergebnisse waren so genau, daß neuere Messungen sie bis auf geringe Abweichungen bestätigt haben. Zur Zeit der Römer wurden sogar vivisektorische Untersuchungen angestellt, um das Zusammenwirken von Nerven und Muskeln zu erforschen. Allerdings war man im Altertum geneigt, den mühevollen Weg des Versuches abzukürzen, und lieber von allgemeinen Sätzen auszugehen. Ein Beispiel dafür boten die Pythagoreer. Sie hatten entdeckt, daß sich harmonische Töne ergeben, wenn man eine Saite nach einfachen Verhältnissen teilt. Von diesem Ergebnis ausgehend, stellten sie den Satz auf, daß alles in der Welt in ganz bestimmter Weise nach Maß und Zahl geordnet sei. Unter den griechischen Denkern war besonders Plato von diesem Gedanken beherrscht.
An die Spekulationen über Form, Maß und Zahl reihte sich die Frage nach dem Stoff, aus dem die Welt besteht. Nach der Vorstellung der ersten Naturphilosophen ist die Welt aus einem Urstoff geformt. Dem einen schien dafür das Wasser besonders geeignet. Andere hielten die Luft für die Urmaterie. Aus ihrer Verdichtung sollten die flüssigen und die festen Körper entstanden sein. Den längsten Bestand hatte die Lehre, daß sich die Welt aus vier Elementen gebildet habe, aus Erde, Feuer, Luft und Wasser. Aus ihnen waren danach alle irdischen Dinge hervorgegangen. Die Gestirne dagegen sollten aus einer besonderen, fünften Substanz (Quintessenz) bestehen.