在20世纪20年代，埃德温·哈勃证明了所谓的“旋涡星云”实际上和我们的银河系一样也是一个个的星系，只不过距我们远至几百万到几十亿光年之外，这才让我们开始明白我们所处的宇宙到底有多么巨大。哈勃还发现，来自这些遥远星系的光会变红，这就说明了星系都在离我们远去。宇宙一直在膨胀。
这些观测结果导致了大爆炸理论的提出。如果现在万事万物都在互相远离，那么大概在过去的某个时刻，整个宇宙曾紧紧地聚拢在一处；换句话说，新生的宇宙既炽热，又致密。另一个与之竞争的理论是稳态理论，它指出物质不断地被凭空产生，用以填补空间膨胀造成的空隙。然而，还是大爆炸理论笑到了最后。1965年，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias,1933— ）和罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson, 1936— ）发现了宇宙微波背景辐射。这是早期宇宙在大爆炸之后大约38万年时，其炽热物质所辐射出的能量的残余。
宇宙的成长可以用相对论来模拟：假设在最大的尺度上宇宙是均匀的，那么原本复杂的理论可以转化为较为简单的公式，我们称之为弗里德曼宇宙模型，它解释了宇宙的膨胀和演化。
根据这种模型，在宇宙学尺度上，宇宙的外形可以自由弯曲：要么向内弯曲，形成类似于球面的形状；要么向外扩张，形如马鞍。然而，实际观测后科学家却认为宇宙恰恰处于两种曲率状态之间，几乎正好是平的。弗里德曼宇宙模型本身倒并不排斥这种可能性，但是这一切看起来实在是有点无巧不成书的意思了。有一种理论可以解释这一点，那就是暴胀理论。它指出，在宇宙初始的那一刹那，空间肆无忌惮地膨胀着，将一切原本的弯曲状态抹平。今天的可观测宇宙仅仅是原始火球的沧海一粟。这个理论还能解释视界问题，也就是为什么宇宙的这一端和与之相对的另一端不管在密度上还是温度上都几乎完全一致。
时空的凹痕
当然了，宇宙并不是完全平整的，星系会在时空上留下一个个凹痕。在1990年，COBE卫星探测到了宇宙微波背景里的小小波纹，这是宇宙最初期存在密度涨落的蛛丝马迹。这些宇宙早期的小波纹可能源自于驱动宇宙暴胀的能量场中的随机量子涨落。引力会将这些原初的涨落放大，将密集的区域聚拢形成恒星、星系和星系团。今天，星系如海浪上的泡沫一样散落于宇宙各处，在如同泡泡一般的空洞外面，是一些由星系组成的结、线和墙。这些结构的尺度可以大到约10亿光年。
肉眼可见的物质产生的引力是无法形成我们今天所看到的这种结构的：它必须借助于一种看不见的物质的帮助，我们称之为暗物质。更多关于这种暗物质存在的证据还来自于星系的旋转：要不是这些暗物质提供额外的引力，星系的旋转速度就太快了，会很快分崩离析的。
暗物质肯定不是由质子、中子或电子组成的。当宇宙的年龄还不足3分钟时，质子和中子结合到一起产生了氘（一种氢的更重一些的同位素）和痕量的其他轻元素。宇宙学家计算得出，如果当时的普通物质比我们现在看到的多得多，那么这锅稠密的粥里的氘的比例会比现在的高得多。所以暗物质一定是某些奇特的物质，可能是在大爆炸炽热的早期状态下产生的。物理学家想出了各种可能的选项，包括假想的一些粒子，如弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle,WIMP）和轻轴子等。由大爆炸产生的遥远的黑洞也可以形成暗物质。
另一个谜团出现于20世纪90年代，那时天文学家吃惊地发现，遥远的超新星看起来比预期更暗，这就意味着宇宙的膨胀速度并不是像大家想象的那样在减慢，反而是在加快。这个宇宙似乎被某种斥力主导，我们称之为暗能量。也许暗能量就是宇宙学常数（真空能），或者是“第五元素”这样的能量场发生了变化的结果，甚或是引力在长距离时表现出的性质发生了变化——变得具有排斥性也说不定——而形成的。
微波背景
通过测量微波背景涨落的谱，WMAP和普朗克卫星确立了宇宙学的标准图景。数据显示，我们宇宙的年龄约有138亿岁，包括5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量。
然而，许多重大问题依然存在。我们不知道宇宙的真实大小，甚至不知道宇宙是否无限。我们也不知道它的拓扑结构——宇宙是否将自己包裹了起来，还不知道是什么触发了暴胀，除了我们的宇宙之外我们也不知道有没有别的平行宇宙，而平行宇宙是许多暴胀理论所预言的。
另一个谜题是，为什么我们的宇宙更青睐物质，而不喜欢反物质。在大爆炸早期，当产生粒子时，宇宙一定存在对物质的强烈偏好，否则的话物质和反物质就会互相湮灭，这样除了辐射以外什么都剩不下来。粒子物理学的标准模型无法解释宇宙的这一偏好。
宇宙真正的起点——如果它真的存在的话——也是一个未解之谜，因为大爆炸的相对论模型始于一个奇点，在那里所有物理公式都会失效。宇宙的终极命运也蒙着神秘的面纱，因为这依赖于暗能量的本质，以及这一神秘物质在未来的表现。在未来，星系可能由于宇宙膨胀而彼此独立，也有可能所有的物质都毁于一场大撕裂，还有可能宇宙在一场巨大的碰撞中坍缩——也许会重新膨胀为一个循环宇宙。想要理解宇宙的起点与终点，我们也许需要一个关于引力的量子理论。
大爆炸肇始
5、0多年前，宇宙的创生故事被确认——这一切源于一次意外。美籍加裔宇宙学家吉姆·皮布尔斯（Jim Peebles,1935— ）回忆了当时说服质疑者的艰辛历程。
“从某种角度看，宇宙创生的时候我就在现场。1964年5月，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊记录了他们对来自仙后座A这一超新星遗迹的微波辐射的第一次观测。他们供职于贝尔实验室，这个研究使用到了位于美国新泽西州霍姆德尔镇的一个喇叭形天线，那是为研究微波通信而搭建起来的，它是当今手机技术的先驱。然而，彭齐亚斯和威尔逊发现了一个困扰贝尔实验室的工程师许久的问题：来自天空的微波信号比预想的要更多。
“我当时还是在普林斯顿大学的一个刚刚起步的年轻理论物理学家，当时在鲍勃·迪克（Bob Dicke）的研究小组里工作。鲍勃坚信，宇宙一度又烫又稠密，而他当时推断，宇宙应该会在整个天空留下一片辐射的海洋。鲍勃派出了他组里的两个成员， 彼得·罗尔（Peter Roll）和大卫·威尔金森（David Wilkinson），去搭建一个捕捉这类辐射的接收器，并建议我研究探测到与探测不到这种辐射的种种理论后果。
“第二年2月，我在一个研讨会上报告了我们的想法，几周以后，鲍勃接到了一个来自彭齐亚斯的电话。鲍勃、彼得和大卫访问霍姆德尔镇时才发现有人已经捷足先登了。我不记得鲍勃或我们组的任何人表现出后悔之意，恰恰相反，大家对于宇宙中真的存在这么一个东西并且可以被测量、被分析而感到兴奋。
“这片困扰彭齐亚斯和威尔逊的噪声海洋就是宇宙微波背景，现在它已经成了大爆炸理论的决定性证据。但是在一开始的时候人们并不是这么认为的，你翻翻早先的《新科学家》杂志就知道了。在1976年，马丁·里斯（Martin Rees）刚刚被推举为剑桥大学著名的普鲁密安天文学与实验学教授，他写道，‘没有任何别的理论’可以解释宇宙微波背景的各种观测特征（1976年12月2日刊，第512页）。然而5年以后，继任普鲁密安天文学与实验学教授席位的弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）依然能为静态理论找到支持的证据，他写道，‘（最近的宇宙微波背景观测）和理论的偏差如此之大，以至于足以抹杀大爆炸宇宙学’（1981年11月19日刊，第521页）。静态理论是在1948年由霍伊尔等人提出的，这一理论认为物质在膨胀的宇宙中不断地被创造出来，当现有的星系离我们越来越远时，新的星系就会产生出来并填补空位。在这一图景中，宇宙的过去不比现在更炽热或更致密。
“宇宙曾经又烫又稠密的一个确切证据是科学家发现了宇宙的热普朗克谱——这是一种在不同的波长上表现出不同强度的特征谱。罗尔和威尔金森的实验很快就增加了一个新的数据点，之后威尔金森通过他领导的COBE卫星任务，又收集了很多数据点。在20世纪90年代初，COBE卫星终于证明了宇宙微波背景谱与温度大约为2.73开尔文的普朗克谱非常接近。从此以后，除了霍伊尔和他的亲密合作者之外，很少有人会去质疑宇宙起源于大爆炸了。
“COBE卫星和它的后续任务——NASA的WMAP、ESA的普朗克卫星，以及其他的一些仪器——的探测结果告诉了我们，宇宙微波背景与一个绝对均匀的辐射海洋之间的细微差别（见图5.1），我们宇宙膨胀的历史及宇宙中所包含物质的本质。现在的理论与探测结果非常好地吻合在一起，尽管这需要引入两个假设的成分：看不见的冷暗物质，用来保持星系黏合在一起；还有宇宙学常数，用以解释通过对远处超新星的观测而揭示的宇宙加速膨胀。
“今天，更多的关于宇宙微波背景的探索可以将我们带回到超越广义相对论的宇宙早期（见本章后面的‘宇宙初始的那一刹’部分）。但是在50多年前，当恼人的嘶嘶声在那伟大的电信天线中讲述宇宙初生的故事时，那个重要的里程碑就已然确立了。”
