西汉时期，出现了一种新的宇宙理论——“浑天说”。
西汉末年的扬雄在其著作里首次提到“浑天”一词，“浑”是“圆球”的意思。盖天说认为天在上、地在下，而浑天说认为天在外、地在内，天是一个圆球，把地包在里面，日月星辰可以转到大地下面去。
浑天说的集大成者为东汉时期的张衡，他在《浑天仪图注》里解释道：天的形状是浑圆的，像鸡蛋壳，大地像蛋黄，靠天内的水、气浮力漂浮其中，天壳总有一半位于大地之上，一半位于地下，日月星辰附在天壳上，因此太阳白天在地上运行，夜晚在地下运行。
相比较盖天说，浑天说无疑更进一步，它否定了天是半球的认识，而是认为天是一整个圆球。
不过，浑天说并不认为“天球”就是宇宙的界限，“天球”之外还有别的世界，即张衡所谓：“过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”
浑天说认为恒星遍布于一个“天球”上，而日月等星体则依附于“天球”上运行，这一说法与现代天文学的天球概念已经非常接近了。因而浑天说采用球面坐标系来量度天体的位置，计量天体的运动。
漆栻盘，汉代，甘肃武威市磨嘴子汉墓出土，现藏甘肃省博物馆。
浑天说提出后，虽然对盖天说形成挑战，但是并没有立刻取代盖天说，两种学说在一定时期内各执一词。
但是，浑天说有两大法宝，一是当时最先进的观天仪——浑天仪，借助于它，浑天说的支持者可以用精确的观测事实来论证浑天说。在古代，依据这些观测事实制定的历法具有相当高的精度，这是盖天说所无法比拟的。
另一大法宝就是浑象，利用它可以形象地演示天体的运行，使人们不得不折服于浑天说的卓越思想。因此，浑天说逐渐取得了优势地位。到了唐代，天文学家一行等人通过大地测量彻底否定了盖天说，使浑天说在中国古代天文领域称雄了上千年。
有关天地宇宙的结构的另一种学说是“宣夜说”。
宣夜说是我国历史上的宇宙无限论思想，最早出现在战国百家争鸣时期，当时有人构想了一幅奇特的宇宙图景，并把他的观点向其学生传授，传了几代后到汉代一位叫郗萌的官员那里，他的描述被史家注意到，于是写进史书保留了下来。
宣夜说认为，天是没有固定形质的，日月星辰都是自由自在地飘浮在无边无际的气之中，而日月星辰本身，也是一种气的积聚。我们熟悉的“杞人忧天”的故事就是对这种学说的一种解释。
这个故事记载在《列子》里，杞国有一个人听说天是很高很高的空间，日月星辰都在天上漂浮着，他担心日月星辰会掉下来，打坏庄稼砸死人，甚至害怕大地也会陷下去。为此，他整天忧心忡忡，不知道该怎么办才好。后来有人给他解释说，天是气体结合而成的，到处都充满了气体，日月星辰也是气体构成的，只是会发光而已，如果掉下来，也还是气落在气中，不会砸到人和庄稼。大地是固体的，到处都塞满了，是不会陷进去的。于是杞人才转忧为喜。
不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至哥白尼的日心说，都把天看作一个坚硬的球体，星星都固定在这个球壳上。宣夜说则认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。日月星辰的运动规律是由它们各自的特性所决定的。这种宇宙无限的思想出现于2000多年前，是非常可贵的。
然而，宣夜说认为日月星辰“或顺或逆，伏见无常，进退不同，由乎无所根系，故各异也”，所以对它们的运行规律也无从谈起。另外，宣夜说没有提出自己独立的对于天体坐标及其运动的量度方法，这也是宣夜说在1000多年内不能得到广泛发展的重要原因。
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