在大约150亿年前，宇宙是从物质和能量的密集热海中诞生的。 随着宇宙的膨胀和冷却，它产生了星系，恒星，行星和生命！
银河系聚类代表了宇宙在其当前年龄的60％时的样子。 哈勃太空望远镜通过聚焦在完成10个轨道的星团上而捕获
宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）因其对我们宇宙的起源和发展理论的贡献而获得了2019年诺贝尔物理学奖。 他在这篇文章中描述了这些想法，并 于1994年 为《科学美国人》 撰写 。
在大约150亿年前的特定瞬间，我们可以观察到的所有物质和能量，集中在小于一角钱的区域，开始以惊人的速度膨胀和冷却。 到温度下降到太阳核心温度的1亿倍时，自然力就呈现了它们目前的特性，被称为夸克的基本粒子在能量海中自由漫游。 当宇宙又膨胀了1000倍时，我们可以测量的所有物质都充满了太阳系大小的区域。
那时，自由夸克被限制在中子和质子中。 宇宙又增长了1000倍后，质子和中子结合形成原子核，包括当今存在的大多数氦和氘。 所有这些都发生在扩展的第一分钟之内。 但是，条件仍然太热，原子核无法捕获电子。 中性原子只有在持续扩展了30万年之后才出现，并且宇宙比现在小1,000倍。 然后，中性原子开始聚集成气云，随后演变为恒星。 当宇宙膨胀到现在的五分之一时，恒星已经形成了可以识别为年轻星系的群。
当宇宙只有现在的一半时，恒星中的核反应就产生了大部分重元素，而这些重元素是由地球行星构成的。 我们的太阳系还比较年轻：它是在50亿年前形成的，当时宇宙只有现在的三分之二。 随着时间的流逝，恒星的形成消耗了星系中的气体，因此恒星的数量正在减少。 从现在起150亿年之内，像太阳这样的恒星将相对稀少，这对于像我们这样的观察者来说，使宇宙变得不那么热情好客。
我们对宇宙的起源和演化的理解是20世纪科学的伟大成就之一。 这些知识来自数十年的创新实验和理论。 地面和太空中的现代望远镜探测到数十亿光年远的星系发出的光，向我们展示了宇宙年轻时的样子。 粒子加速器探究了早期宇宙高能环境的基本物理学。 卫星检测膨胀初期留下的宇宙背景辐射，从而以我们可以观察到的最大尺度提供宇宙图像。
我们解释这种大量数据的最大努力体现在一种称为标准宇宙学模型或大爆炸宇宙学的理论中。 该理论的主要主张是，在大规模的平均水平上，宇宙从密集的早期状态以几乎均匀的方式膨胀。 目前，大爆炸理论还没有根本性的挑战，尽管该理论本身肯定存在一些尚未解决的问题。 例如，天文学家不确定星系是如何形成的，但是没有理由认为这个过程不是在大爆炸的框架内发生的。 的确，迄今为止，该理论的预测在所有测试中均幸存下来。
然而，大爆炸模型只适用于目前，仍然存在许多基本谜团。 宇宙膨胀之前是什么样的？ （我们所做的任何观察都不能使我们回首膨胀开始的那一刻。）在遥远的未来，当最后一颗恒星耗尽核燃料供应时会发生什么？ 还没有人知道答案。
神秘主义者，神学家，哲学家或科学家可能会从许多角度看待我们的宇宙。 在科学中，我们采用深思熟虑的方式：我们只接受通过实验或观察检验的结果。 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）为我们提供了经过广泛检验和接受的广义相对论，该理论确立了质量，能量，空间和时间之间的关系。 爱因斯坦证明，物质在空间中的均匀分布非常符合他的理论。 他未经讨论就假定宇宙是静态的，在大型平均水平上没有变化。（请参阅斯蒂芬·格鲁斯（Stephen G. Brush）的“宇宙学如何成为科学”； 1992年8月，《美国科学》。
1922年，俄国理论家亚历山大·弗里德曼（Alexander A. Friedmann）意识到爱因斯坦的宇宙是不稳定的。 最小的扰动将导致其扩展或收缩。 当时，洛厄尔天文台的Vesto M. Slipher正在收集星系实际上正在移动的第一个证据。 然后，在1929年，著名的天文学家爱德温·哈勃（Edwin P. Hubble）发现，一个星系离开我们的速度与它与我们的距离大致成比例。
遥远类星体的多幅图像（ 左 ）是被称为引力透镜效应的结果。 当来自遥远物体的光被中间星系的引力场弯曲时
不断膨胀的宇宙的存在意味着宇宙已从物质的密集集中演变为目前广泛分布的星系。 英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）率先将这一过程称为“大爆炸”。 霍伊尔打算贬低这一理论，但是这个名字太吸引人了，因此广受欢迎。 然而，将膨胀描述为某种物质爆炸远离空间的某个特定点，这在某种程度上具有误导性。
那根本不是图片：在爱因斯坦的宇宙中，空间的概念和物质的分布紧密地联系在一起； 观察到的星系系统的扩展揭示了空间本身的展开。 该理论的一个基本特征是，随着宇宙的扩展，空间的平均密度会下降。 物质的分布没有可观察的边缘。 在爆炸中，最快的粒子移到空的空间，但是在宇宙大爆炸宇宙学中，粒子均匀地填充了所有空间。 宇宙的膨胀对受引力束缚的星系甚至星系团的大小影响不大。 他们之间的空间只是开放的。 从这个意义上讲，膨胀类似于葡萄干面包的上升。 面团类似于太空，葡萄干类似于星系团。 随着面团膨胀，葡萄干分开。 此外，任何两个葡萄干分开的速度与分离它们的面团量直接且成正比。
宇宙膨胀的证据已经积累了大约60年。 第一个重要线索是红移。 星系比其他星系更强地发射或吸收某些波长的光。 如果银河系远离我们，则这些发射和吸收特征将移至更长的波长，也就是说，随着衰退速度的增加，它们会变得更红。 这种现象称为红移。
哈勃的测量结果表明，一个遥远星系的红移大于一个靠近地球的星系的红移。 这种关系，现在称为哈勃定律，恰恰是在一个统一扩展的宇宙中所期望的关系。 哈勃定律说，一个星系的衰退速度等于它的距离乘以一个称为哈勃常数的量。 附近星系的红移效应相对较弱，需要良好的仪器才能检测到它。 相反，非常遥远的物体（射电星系和类星体）的红移是一种令人敬畏的现象。 有些似乎正在以光速的90％以上离开。
哈勃为图片的另一个关键部分做出了贡献。 他计算了天空中不同方向的可见星系的数量，发现它们看上去分布相当均匀。 哈勃常数的值在各个方向上似乎都是相同的，这是均匀扩展的必然结果。 现代调查证实了宇宙在很大程度上是均匀的基本原理。 尽管附近星系分布的地图显示出团块状，但更深入的调查显示出相当大的一致性。
例如，银河系位于两个打结的星系中。 这些反过来又是从所谓的本地超集群突出的星系复合体的一部分。 聚类的层次结构可追溯到约5亿光年的维度。 物质平均密度的波动随着所研究结构的规模增加而减小。 在覆盖距离接近可观察极限的地图中，物质的平均密度变化不到百分之一。
为了检验哈勃定律，天文学家需要测量到星系的距离。 测量距离的一种方法是观察星系的视在亮度。 如果一个星系在夜空中的亮度是其他星系的四倍，那么可以估计它的距离是它的两倍。 现在已经在整个可见距离范围内测试了这种期望。
根据对宇宙平均密度的了解来估算这一数量。 人们期望，由于重力施加的力与膨胀相反，所以星系现在趋向于比
当今的宇宙为生命的发展提供了充足的机会-我们可以观察到的宇宙中大约有1000亿颗恒星类似于太阳。 但是，宇宙大爆炸意味着，生命只能在有限的时间范围内实现：在遥远的过去，宇宙太热了，未来的资源也很有限。 大多数星系仍在产生新恒星，但许多其他星系已经用尽了天然气供应。 从现在起的300亿年里，星系将变得更黑，并充满死亡或垂死的恒星，因此，如今能够生存的行星将大大减少。
宇宙可能永远膨胀，在这种情况下，所有星系和恒星最终都会变得黑暗和寒冷。 除此以外，其他解决方案还很麻烦。 如果宇宙的质量足够大，重力将最终使膨胀逆转，所有物质和能量将重新结合。 在接下来的十年中，随着研究人员改进用于测量宇宙质量的技术，我们可能会了解当前的扩展是朝着大寒还是大危机。
在不久的将来，我们希望通过新的实验可以更好地理解这一大爆炸。 随着我们改进对膨胀率和恒星年龄的测量，我们也许可以确认恒星确实比正在膨胀的宇宙年轻。 最近完成或正在建造的大型望远镜可以使我们看到宇宙质量如何影响时空的曲率，进而影响我们对遥远星系的观测。
我们还将继续研究宇宙大爆炸学无法解决的问题。 我们不知道为什么会发生大爆炸，或者以前可能存在什么。 我们不知道我们的宇宙是否有兄弟姐妹，其他正在扩展的区域与我们所观察到的区域相去甚远。 我们不明白为什么自然的基本常数具有它们所具有的价值。 粒子物理学的进步提出了一些有趣的方式来回答这些问题。 挑战在于找到这些想法的实验性测试。
在讨论有关宇宙学的此类问题时，应该记住，所有物理理论都是现实的近似，如果推得太远，它们可能会失败。 物理科学的发展是将早期的理论纳入实验，这些理论在实验上得到了支持，成为了更大，更全面的框架。 大爆炸理论得到大量证据的支持：它解释了宇宙背景辐射，轻元素的丰度和哈勃膨胀。 因此，任何新的宇宙学必将包含宇宙大爆炸图景。 无论未来几十年可能带来什么发展，宇宙学已经从哲学的一个分支转移到物理科学，其中的假设满足了观察和实验的检验。
本文最初以《科学美国人》 271，4，52-57（1994年10月）的标题为“宇宙的进化”发表。
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