宇宙在空间和时间上都非常巨大，在人类历史的大部分时间里，都超出了我们仪器和思想的范围。这种情况在20世纪发生了巨大的变化。这些进步同样受到强大的思想（从爱因斯坦的广义相对论到现代基本粒子理论）和强大的仪器（从乔治·埃勒里·海尔建造的100英寸和200英寸反射望远镜，它们将我们带出了银河系，到哈勃太空望远镜，它已将我们带回到星系的诞生）的驱动。在过去的30年里，随着人们意识到暗物质不是由普通原子构成，暗能量的发现，以及宇宙暴胀和多重宇宙等大胆想法的出现，进步的步伐加快了。
100年前的宇宙很简单：永恒、不变，由一个包含数百万颗可见恒星的星系组成。今天的图景更加完整，也更加丰富。宇宙始于137亿年前的大爆炸。在开始后的瞬间，宇宙是基本粒子、夸克和轻子的炽热、无定形的汤。随着宇宙的膨胀和冷却，一层又一层的结构逐渐形成：中子和质子、原子核、原子、恒星、星系、星系团，最终是超星系团。可观测宇宙的现在居住着1000亿个星系，每个星系包含1000亿颗恒星，可能还有数量相近的行星。星系本身是由神秘的暗物质的引力结合在一起的。宇宙继续膨胀，事实上，它正在以加速的速度膨胀，这是由暗能量驱动的，暗能量是一种更加神秘的能量形式，其引力是排斥而不是吸引。
我们宇宙故事的主题是从夸克汤的简单性到我们今天在星系、恒星、行星和生命中看到的复杂性的演变。这些特征在数十亿年的时间里逐一出现，并受基本物理定律的指导。在我们回到创世之初的旅程中，宇宙学家首先穿越宇宙的成熟历史，回到第一个微秒；然后回到开始后的10
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−34 秒内，对于此，想法已经成熟，但证据尚不确凿；最后到达创世的最早时刻，对于此，我们的想法仍然只是推测。虽然宇宙的最终起源仍然超出我们的掌握，但我们有一些诱人的猜想，包括多重宇宙的概念，即宇宙包含无限数量的断开连接的子宇宙。
膨胀的宇宙
1924年，埃德温·哈勃使用威尔逊山上的100英寸胡克望远镜表明，几百年来人们研究和推测的模糊星云是像我们银河系一样的星系——从而将已知的宇宙扩大了1000亿倍。几年后，他表明星系正在以一种规则的模式相互远离，这种模式可以用一个数学关系来描述，现在被称为哈勃定律，根据该定律，距离越远的星系移动得越快。正是哈勃定律，倒推回时间，指向了137亿年前的大爆炸。
哈勃定律在广义相对论中找到了现成的解释：空间本身正在膨胀，星系正在被空间带着一起运行[参见对页的方框]。光也在被拉伸或红移——这个过程会消耗它的能量，因此宇宙随着膨胀而冷却。宇宙膨胀为理解今天的宇宙是如何形成的提供了叙述。当宇宙学家想象倒转时钟时，宇宙变得更密集、更热、更极端和更简单。在探索开始时，我们还通过利用比地球上建造的任何加速器都更强大的加速器——大爆炸本身——来探测自然的内在运作。
通过用望远镜观察太空，天文学家可以及时回溯——望远镜越大，他们回溯得越远。来自遥远星系的光揭示了一个更早的时代，而这种光的红移量表明宇宙在过去的几年里增长了多少。目前的记录保持者红移量超过10，代表宇宙不到现在尺寸的十一分之一，只有几亿年的历史。诸如哈勃太空望远镜和莫纳克亚的10米凯克望远镜等望远镜经常将我们带回到像我们这样的星系正在形成的时代，即大爆炸后的几十亿年。来自更早时代的光线红移得非常厉害，以至于天文学家必须在红外和无线电波段寻找它。诸如计划中的詹姆斯·韦伯太空望远镜（一个6.5米红外望远镜）和阿塔卡玛大型毫米波阵列（ALMA）（一个已经在智利北部运行的66个无线电天线网络）等望远镜可以将我们带回到第一批恒星和星系的诞生。
计算机模拟表明，这些恒星和星系出现在宇宙大约1亿年的时候。在那之前，宇宙经历了一个被称为“黑暗时代”的时期，当时宇宙几乎一片漆黑。空间充满了单调乏味的物质，五分是暗物质，一分是氢和氦，随着宇宙的膨胀而变得稀薄。物质的密度略有不均匀，引力起作用放大了这些密度变化：密度较高的区域比密度较低的区域膨胀得更慢。到1亿年时，密度最高的区域不仅膨胀得更慢，而且实际上开始坍缩。这些区域每个都包含大约一百万个太阳质量的物质。它们是宇宙中最早的引力束缚天体。
暗物质占了它们质量的大部分，但正如其名称所示，无法发射或吸收光。因此，它仍然处于扩展云中。另一方面，氢气和氦气发射光，失去能量并集中在云的中心。最终，它完全坍缩成恒星。这些第一批恒星比今天的恒星质量大得多——数百个太阳质量。它们的寿命非常短暂，爆炸后留下了第一批重元素。在接下来的十亿年左右的时间里，引力将这些百万太阳质量的云聚集成了第一批星系。
从原始氢云发出的辐射，由于膨胀而被大大红移，应该可以被总收集面积达一平方公里的巨型无线电天线阵列探测到。建成后，这些阵列将观察第一代恒星和星系电离氢并将黑暗时代结束。
炽热开端的微弱光芒
超越黑暗时代的是红移量为1100的炽热大爆炸的光芒。这种辐射已经从可见光（红橙色光芒）红移到甚至超过红外线，到达微波。我们从那个时代看到的是弥漫天空的微波辐射墙——宇宙微波背景辐射（CMB），由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年发现。它提供了宇宙在38万年幼年时的惊鸿一瞥，即原子形成的时期。在那之前，宇宙是原子核、电子和光子的几乎均匀的汤。当宇宙冷却到约3000开尔文的温度时，原子核和电子结合在一起形成原子。光子停止散射电子，并在空间中不受阻碍地传播，揭示了恒星和星系存在之前宇宙的更简单时期。
1992年，美国宇航局的宇宙背景探测者卫星发现，CMB的强度有轻微的变化——约0.001%——反映了物质分布的轻微结块。原始结块的程度足以充当星系和更大结构的种子，这些结构随后将从引力的作用中出现。CMB中这些变化的模式也编码了宇宙的基本属性，例如它的整体密度和组成，以及关于其最早时刻的暗示；对这些变化的仔细研究揭示了关于宇宙的许多信息[参见第41页的插图]。
当我们倒放宇宙演化的电影时，我们看到原始等离子体变得越来越热、越来越密集。在大约10万年之前，辐射的能量密度超过了物质的能量密度，这阻止了物质结块。因此，这个时间标志着宇宙中今天看到的所有结构的引力组装的开始。更早之前，当宇宙不到一秒时，原子核尚未形成；只存在它们的组成粒子——即质子和中子。原子核出现在宇宙几秒钟大的时候，那时的温度和密度正好适合核反应。这种大爆炸核合成过程只产生了元素周期表中最轻的元素：大量的氦（按质量计算约占宇宙中原子的25%）和少量的锂以及同位素氘和氦3。其余的等离子体（约75%）保持质子的形式，这些质子最终将变成氢原子。元素周期表中的所有其他元素都是在数十亿年后在恒星和恒星爆炸中形成的。
核合成理论准确地预测了在宇宙最原始样本中测量的元素和同位素的丰度——即最古老的恒星和高红移气体云。氘的丰度对宇宙中原子的密度非常敏感，因此起着特殊的作用：其测量值意味着普通物质占总能量密度的4.5 ± 0.1%。 （其余的是暗物质和暗能量。）这个估计值与从CMB分析中收集到的组成精确一致。这种对应关系是一个巨大的胜利。这两种非常不同的测量方法，一种基于宇宙一秒大时的核物理学，另一种基于宇宙38万年大时的原子物理学，它们的一致性，不仅是对我们宇宙演化模型的有力检验，也是对所有现代物理学的有力检验。
夸克汤中的答案
在微秒之前，即使质子和中子也不可能存在，宇宙是自然界基本构件的汤：夸克、轻子和力载体（光子、W和Z玻色子以及胶子）。我们可以确信夸克汤存在过，因为粒子加速器上的实验已经在今天的地球上重新创造了类似的条件。
为了探索这个时代，宇宙学家不仅依靠更大更好的望远镜，还依靠来自粒子物理学的强大思想。30年前粒子物理学标准模型的建立导致了大胆的推测，包括弦理论，关于看似不同的基本粒子和力是如何统一的。事实证明，这些新想法对宇宙学的影响与热大爆炸的最初想法一样重要。它们暗示了非常大和非常小的世界之间深刻而意想不到的联系。关于三个关键问题的答案——暗物质的本质、物质与反物质之间的不对称性以及结块夸克汤本身的起源——已经开始浮出水面。
现在看来，早期的夸克汤阶段是暗物质的诞生地。暗物质的身份仍然不清楚，但它的存在已被充分证实。我们的星系和所有其他星系，以及星系团，都是由看不见的暗物质的引力结合在一起的。无论暗物质是什么，它都必须与普通物质微弱地相互作用；否则它会以其他方式显示自己。寻找自然界力和粒子的统一框架导致了稳定或长寿命粒子的预测，这些粒子可能构成暗物质。其中一些假设粒子今天会作为夸克汤阶段的残余物以正确的数量存在，成为暗物质，甚至可以被探测到。
一个候选者是被称为中性微子的粒子，它是假想的新粒子类别中最轻的粒子，这些粒子是已知粒子的较重对应物。中性微子的质量被认为在质子的100到1000倍之间，正好在日内瓦附近欧洲核子研究中心大型强子对撞机正在进行的实验的范围内。物理学家还建造了超灵敏的地下探测器，以及卫星和气球载探测器，以寻找这种粒子或其相互作用的副产品。
第二个候选者是轴子，一种超轻粒子，质量约为电子的万亿分之一。标准模型预测的夸克行为中的微妙之处暗示了它的存在。探测它的努力利用了这样一个事实，即在非常强的磁场中，轴子可以转化为光子。中性微子和轴子都具有重要的特性，即它们在特定的技术意义上是“冷的”。尽管它们是在滚烫的条件下形成的，但它们移动缓慢，因此很容易聚集成星系。
早期的夸克汤阶段可能也掌握着今天宇宙主要包含物质而不是物质和反物质的秘密。物理学家认为宇宙最初具有等量的物质和反物质，但在某个时候，它发展出轻微的物质过剩——大约每十亿个反夸克多一个额外的夸克。这种不平衡确保了当宇宙膨胀和冷却时，有足够的夸克在与反夸克的湮灭中幸存下来。40多年前，加速器实验表明，物理定律在物质方面略有偏向，并且在早期一系列仍然不甚了解的粒子相互作用中，这种轻微的偏向导致了夸克的过剩。
夸克汤本身被认为是在极早期产生的——可能在10
−34 秒大爆炸后，在被称为暴胀的宇宙膨胀爆发中。这种爆发是由一个新的场（被认为与最近发现的希格斯场有遥远的联系）的能量驱动的，称为暴胀场，它将解释宇宙的基本特性，例如其普遍的均匀性和播种星系和宇宙中其他结构的结块。当暴胀场衰减时，它将其剩余的能量释放到夸克和其他粒子中，从而产生了热大爆炸和夸克汤本身。
暴胀导致了夸克和宇宙之间深刻的联系：亚原子尺度上暴胀场中的量子涨落被快速膨胀放大到天体物理尺寸，并成为我们今天看到的所有结构的种子。换句话说，在CMB天空中看到的图案是亚原子世界的巨大图像。对CMB的观测与这个预测相符，为暴胀或类似暴胀的现象发生在宇宙历史的早期提供了最强有力的证据。
宇宙的诞生
当宇宙学家试图进一步了解宇宙本身的开端时，我们的想法变得不那么确定了。爱因斯坦的广义相对论为一个世纪以来我们在理解宇宙演化方面的进步提供了理论基础。由于广义相对论没有纳入量子理论（当代物理学的另一个支柱），因此它不能被依赖来解决最早的创世时刻，那时量子引力效应应该很重要。该学科的最大挑战是发展量子引力理论，有了它，我们将能够解决所谓的普朗克时代，即大约10
−43 秒之前，当时空本身正在形成。
对统一理论的初步尝试导致了一些关于我们自身开端的非凡推测。例如，弦理论预测了额外的空间维度以及可能漂浮在更大空间中的其他宇宙的存在。我们称之为大爆炸的可能是我们宇宙与另一个宇宙的碰撞。弦理论与暴胀概念的结合导致了也许是最胆大的想法，即多重宇宙——即宇宙包含无限数量的断开连接的部分，每个部分都有其自身的局部物理定律。
多重宇宙概念仍处于起步阶段，它基于两个关键的理论发现。首先，描述暴胀的方程强烈暗示，如果暴胀发生过一次，它应该会一次又一次地发生，随着时间的推移产生无限数量的暴胀区域。没有任何东西可以在这些区域之间传播，因此它们彼此之间没有影响。其次，弦理论表明这些区域具有不同的物理参数，例如空间维度的数量和稳定粒子的种类。
多重宇宙的观点为科学中最大的两个问题提供了新颖的答案：大爆炸之前发生了什么，以及为什么物理定律是现在的样子（阿尔伯特·爱因斯坦关于“上帝是否对定律有任何选择”的名言）。多重宇宙使关于大爆炸之前发生了什么的问题变得毫无意义，因为有无限数量的大爆炸开端，每个开端都由其自身的暴胀爆发触发。同样，爱因斯坦的问题也被搁置一旁：在无限的宇宙中，所有物理定律的可能性都已尝试过，因此没有特别的理由说明我们宇宙的物理定律是现在的样子。
宇宙学家对多重宇宙的感觉很复杂。如果断开连接的子宇宙真的是无法沟通的，我们就无法希望检验它们的存在；它们似乎超出了科学的领域。我的一部分想尖叫，一次一个宇宙，拜托！另一方面，多重宇宙解决了各种概念问题。如果正确，它将使哈勃将宇宙扩大仅仅1000亿倍，以及哥白尼在16世纪将地球从宇宙中心驱逐出去的举动，都显得像是我们在理解我们在宇宙中的位置方面的小小进步。
现代宇宙学使我们感到谦卑。我们是由质子、中子和电子组成的，它们加起来只占宇宙的4.5%，而我们的存在仅仅是因为非常小和非常大之间微妙的联系。由微观物理定律指导的事件使物质在反物质中占主导地位，产生了播种星系的结块，用提供引力基础设施的暗物质粒子填充了空间，并确保了暗物质可以在暗能量变得显著且膨胀开始加速之前建立星系[参见上方的方框]。与此同时，宇宙学就其本质而言是傲慢的。我们可以理解像我们的宇宙这样在空间和时间上都如此浩瀚的东西，表面上是荒谬的。这种谦卑和傲慢的奇怪混合在过去一个世纪中使我们在推进我们对当前宇宙及其起源的理解方面取得了相当大的进展。我对未来几年的进一步进展持乐观态度，我坚信我们正生活在宇宙学的黄金时代。