现代宇宙学
爱因斯坦1915年发表的广义相对论标志着现代科学宇宙学的开始。广义相对论使对整个宇宙进行一致的数学表达成为可能。根据爱因斯坦的理论，物质和运动的性质与时空的变形有关系。这一点对宇宙学的重要性在于，时间和空间不再被认为是绝对的，独立于物质本体的，而是宇宙演化的参与者。广义相对论促使我们理解的不是宇宙在时间和空间中的起源，而是时间和空间自身的起源。
爱因斯坦的理论是现代大爆炸模型的基础，而大爆炸模型是迄今对宇宙膨胀的最佳描述。按照这个模型，在150亿年以前的极高温度和密度条件下，空间、时间、物质和能量起源于一个原始高能辐射火球。最初的几秒钟之后，温度下降到大约100亿摄氏度，核反应出现了，开始形成构成我们物质世界的原子。过了大约300,000年，温度下降到几千摄氏度，释放出我们现在可以观测到的宇宙微波背景辐射。随着爆炸的扩张，时间和空间也在扩展，宇宙慢慢变冷变稀保膨胀的气体云和辐射在收缩过程中形成恒星和星系。我们今天的宇宙包含着大爆炸遗留的烟雾和灰烬。
第五章将更加详细地论述大爆炸理论。就目前来说，大多数宇宙学家承认它是基本正确的。它阐释了大部分我们已知的关于宇宙的整体性质，且能够解释大多数相关的宇宙学观测结果。但是重要的是，我们认识到大爆炸理论并不完整。大量的现代宇宙学研究就是为了填补这个理论的空白而使得整个理论体系更完整，更有信服力。
首先，爱因斯坦的理论本身无法适用于宇宙形成的最初时刻。大爆炸是相对论理论学家称之为奇点的一个例子，奇点处数学计算失效而可测量的量变成了无穷。尽管我们知道宇宙从某个特定阶段开始是怎样演化的，但奇点却使我们无法从第一原理推出宇宙最初的样子。因此我们只好求助于观测而不是单纯的推理来拼凑宇宙的初始状态，这如同考古学家试图从废墟中重建一座城市。所以当代的宇宙学家们正在收集大量的详细数据以便拼合出宇宙形成时的图景。
最近20年里的技术进步大大加速了观测宇宙学的发展，我们当前确实处在宇宙发现的“黄金时代”。观测宇宙学目前已经构建了巨幅的星系空间分布图，显示出那些“细丝”和“薄片”令人瞩目的大尺度结构。而配合这些巡天的是一些深度的观测，例如利用哈勃空间望远镜进行观测。哈勃深场曝光时间足够长，可以观测到非常遥远的星系，而我们接收到的光是这些星系在宇宙早期发出的。利用这样的观测我们可以揭示宇宙历史的演化。例如，微波天文学家现在能够通过观察原始火球产生的宇宙微波背景中的扰动来描绘出早期宇宙的结构。计划中的卫星实验，如MAP计划和普朗克巡天者计划（Planck Surveyor）将在未来几年里探测这些扰动的细节，它们探测的结果应该能够填补我们关于宇宙形成方面的知识空白。
天文观测可以用来测量宇宙的膨胀速率及膨胀是怎样随时间变化的，也可以通过大尺度地运用三角测量理论去探测空间几何。在爱因斯坦的理论中，光线不必按照直线传播，这是由于大质量天体产生的引力会使空间弯曲。在宇宙学距离上，这种效应导致时－空自身封闭（如同球体的表面），引起平行的光路汇聚。它也可产生一个光线分散的“开放”的宇宙。介于两种观点之间的是认为宇宙是平坦空间的“习常”观点，欧几里得几何适用于其中。哪一种观点正确取决于整个宇宙的物质和能量的密度，大爆炸理论本身并不能预言。
大爆炸理论在20世纪80年代经受了一次主要的检验，当时粒子物理学家试图用宇宙学方法来理解极高能量下物质的性质，而这种高能状态是他们的粒子加速器无法达到的。理论家们认识到宇宙早期可能发生了一系列巨变，也就是人们所说的相变，相变过程在瞬间使宇宙迅速膨胀。这样一个阶段的“暴胀”被认为会使空间的弯曲变得平坦，由此引出了宇宙应是平坦的肯定预设。而这种观点与上面提到的宇宙的观测结果似乎是一致的。最近关于宇宙目前仍在加速膨胀的推测，暗示了神秘的暗能量的存在，它可能就是早期暴胀阶段的遗存物。
宇宙学家也已运用现代超级计算机试图理解在宇宙膨胀并冷却的过程中成块的宇宙物质是如何收缩成恒星和星系的。这些计算说明压缩的过程需要大量浓缩的外部物质，其密度大到足以帮助结构增长而不发出星光。这些不可见物被称为“暗物质”。计算机模拟的结构与通过观测得到的巨幅结构图几近一致，这更进一步支持了大爆炸理论。
新理论思想和新近获得的高质量观测数据相辅相成，将宇宙学从纯粹的理论领域带入到缜密的实验科学领域。20世纪初叶，阿尔伯特·爱因斯坦的研究工作标志着这一转变的开始。
