红移是由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线红化。可见光即是电磁场的起伏或波动，它的频率(每秒的振动数)高达4～7百万亿次，对不同频率的光，人的眼睛看起来为不同颜色，最低的频率出现在光谱红端，而最高频率在蓝端。
如果恒星光源固定，星系的引力场不会对其有足够强的明显作用，那么我们接收到波频率和发出时的频率一样。如果恒星向观察者运动，当光源发出第二个波峰时，它离开我们更近一些，这样波峰到达我们所用的时间会缩短。两个波峰到达我们的时间间隔变小了，那么我们接收到的频率比恒星固定不动时的波频率要高。如果光源离观察者逐渐远去，我们接收到波频率就变低了。
因此，恒星离我们不断远去时，其光谱向红端移动，接收频率减弱，称之为红移。反之，恒星离我们越来越近，光谱则会出现蓝移情况。
哈勃发现的就是红移律。不仅如此，他还发现，离我们越远的恒星其退行速度越快，这不像正在膨胀的气球吗？
这种发现，使宇宙大爆炸理论显出优势地位。宇宙论成为实验科学是由于微波背景的辐射。
关于宇宙的起源和形成，是哲学和神学最关注的问题，科学家们并没有表现出多大的热情，但是20世纪中后期，宇宙学的研究却成为显学，这是由于理论与技术设备的共同发展而导致的。两种互相争论的宇宙论也就应运而生了。
通俗的宇宙大爆炸论，简言之，就是假定宇宙在原初状态时，温度高到无穷大，密度大到无穷高，只有辐射和基本粒子存在，随着乒乓一声，宇宙开始膨胀的冷却降温，星云、恒星、星系就诞生了，宇宙现在正在膨胀。稳恒态理论认为，宇宙自始至终就存在，目前观察到的宇宙膨胀所引起的物质分散，由不断产生的物质来补偿。
在公元前4世纪的古希腊，亚里士多德在《天论》中，论证了大地为球形并且处于宇宙中心，整个宇宙环绕着地球，由7个同心球组成。直到托勒密体系，空间位置是绝对的。
哥白尼指出，太阳是宇宙的中心，而伽利略最早指出相对性原理。地球说被否定了，绝对空间也不存在了。
到了牛顿，他认为宇宙是无边无限的，宇宙的体积无限，也没有边界。宇宙空间是三维欧氏几何空间，在各个方向上延直线可以延伸到正无穷，在这个空间中，星体密布，无论怎么测量，任何方向上都存在星体。
从哥白尼到牛顿，推翻了地球为宇宙中心的观念，但是牛顿的时空观也是一种绝对时空观，直到爱因斯坦，才根据相对论创立了有限无边的静态宇宙模型。
爱因斯坦的宇宙模型，既不是亚里士多德的有限有边说，也不是牛顿的无限无边型，而是一个有限无边的体质。即空间体积有限，也就是说宇宙体积是有大小的，在这个大小之外任何物质都不存在，这就是无边。
1823年、1894年分别由奥尔勃斯和塞里格尔提出光度悖论与引力悖论，都是对牛顿宇宙模型的责难。
光度学悖论是：如果宇宙无限，那么空间中均匀分布的恒量也应无限，即人们在任何方向上看到的星星应该是无限多，但是实际不是这样。
引力悖论是：如果宇宙中的恒星是无限的，那么任何一个物体就会受到无限多恒星的无限大的引力作用，产生的加速度也会无限大，但是实际上也不是这样。
有些科学家放弃了物质均匀分布的假设，比如在1908年，瑞典的沙利叶改善了等级模型，认为物质的密度随着分布系统的级的增加而减少。
爱因斯坦却坚持认为物质均匀分布。他认为应该放弃宇宙无限的概念。在1917年，爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》的文章，提出：其一，各向同性。即从空间大尺度上说，在任意时刻观测任意方向，结果应当一致。其二，均匀性假定。即仍然是从空间大尺度上看，天体的分布保持均称，星系的平均密度和光度以及相互间的距离都是一样的。
由此，爱因斯坦从广义相对论的引力方程中企图求得静态结果，但是这种静态解始终寻不出来。1916年，爱因斯坦提出引进一个“宇宙常数”，他在引力方程中引进常数，用这个常数所具有的斥力与引力平衡，使宇宙是静态的。从哲学上看，这是物质的，而不是运动的。荷兰天文学家同理而提出一个近似模型，区别在于，荷兰人的模型是物质且运动的。
静态，就是说从大的空间、时间来看，宇宙是静止的。爱因斯坦说：“由于这个讨论的结果，对天文学家和物理学家提出了一个很有兴趣的问题：我们所居住的宇宙是无限的，还是像球形那样是有限的？我们的经验使我们远远不能回答这个问题。但是广义相对论使人们得以在一定程度上可靠地回答了这个问题。”
为宇宙引入静态常数，可能是一个极大的错误，但这是爱因斯坦的一种自然美学意识，他崇尚理解对称和协调。
科学史专家说：“从亚里士多德到牛顿，再到爱因斯坦，宇宙理论经历了一个否定之否定的发展过程。爱因斯坦在某些方面又回到了亚里士多德，但又不是简单地重复亚里士多德的观点，从亚里士多德的宇宙有限有边，到牛顿的无限无边，又到爱因斯坦的宇宙有限无边；从亚里士多德承认水晶球般的实在天球，到牛顿否定天球，又到爱因斯坦承认空间弯曲构成天球；从亚里士多德认为空间关系(自然位置)决定天体的运动，到牛顿认为引力决定天体的运动，又到爱因斯坦认为空间的几何性质决定天体的运动，但这种空间的几何性质又是由物质的分布决定的。”
爱因斯坦提出了第一个现代宇宙模型，在他的广义相对论和模型上，科学家们或质疑或遵从，提出了两种较大影响的模型。
在伽莫夫之前，美国的天文学家已经提出了星系似乎彼此退行，且最远的星系退行速度最大。这时，30年代的宇宙大爆炸论才开始受到重视，这是由弗里德曼和勒梅特提出的。
1915年，广义相对论影响了科学界，建立了引力方程。1922年，俄国数学家弗里德曼在广义相对论的研究中，解决爱因斯坦引力方程问题，得到了均匀的、各向同性的宇宙动态时空观。什么意思呢？就是说弗里德曼在去掉爱因斯坦的“宇宙常数”后，又推出了一个或多个宇宙模型，这些模型或膨胀或收缩，总之不是静态的。这时弗里德曼就已经猜测大爆炸之类的起源了。
1927年，比利时天文学家勒梅特在宇宙膨胀的观念上，创立了宇宙学模型。他利用弗里德曼解爱因斯坦引力方程的结果，加以发展，从广义相对论出发，提出在大尺度下，空间随时间膨胀。这个宇宙模型是均匀的，各向同性的，宇宙常数不为零，不断膨胀。
勒梅特宇宙模型的初始密度极大，最初膨胀得快，之后膨胀得慢，一直到停止，形成星系，接着再膨胀。在这里，我们已经看到现代大爆炸的影子了。
无论是大爆炸还是稳恒态，物理学家在理论方面贡献了基本粒子以及合成元素的模拟学说。
从爱因斯坦和马克斯·普朗克那里，阐明了黑体辐射的物理过程。黑体是因为它能吸引全部射入辐射，然后又把这些辐射再辐射出去的理想性质而得名。据普良克的理论推测，再辐射出来的辐射能分布在整个光谱区，特性线十分明显。由于原始火球在其初期阶段会使能量和物质进入精确的热平衡，所以首次从爆炸冷却释放出来的辐射一事显示出黑体型。
在这个火球开始膨胀和冷却后数十亿年的今天，会出现什么样的能量分布和光谱型还需要精确定量的计算，这一直等到大爆炸定量演化理论的提出。
一开始，人们认为：宇宙是膨胀的，那么过去的宇宙应该比现在的宇宙要小，物质的密度也应该更大。这种基本思路就是宇宙大爆炸论。
然而起初的宇宙是怎样的呢？
1930年，英国杰出的天体物理学家爱丁顿把哈勒定律与勒梅特的宇宙膨胀论联系起来。人们发现了这种学说的重要性。由星系红移的多普勒效应，可以观测到宇宙的整体膨胀。勒梅特在1927年认为，如果把时间反推回去，就可以想像各个星系越来越靠拢在一起，直到它们开始存在，是一个“宇宙蛋”，或“原初厚子”。这个“蛋”里容纳了宇宙间所有的物质。
这就是太一。
奇妙的是，在中国可以找到类似的词语，就是伏羲氏卦中的“太极”，恩格斯的《自然辩证法》中把宇宙之起点叫“混沌”，宇宙学家叫“奇点”。
这里面集中了全部物质能量，甚至时间和空间，这个点之外，什么都没有。没有天体，没有粒子和辐射，没有时间也没有空间，所有这一切在这个“宇宙蛋”里才有效。
这种物质有着惊人的密度，每立方厘米超过1亿吨。而这个“奇点”十分不稳定，像一个超放射物的巨核一样，发生猛烈的爆炸。于是，物质向四面八方扩散，元素开始形成。
在这里，我们介绍几个过程和数据。宇宙演化：
第一层次是物理进化。从大爆炸到开始3万年。这段时间里，是太极生两仪，两仪生四象。原初的“太极”(奇点)分化为四种作用力场和二种物质粒子(夸克和电子等轻子)。然后由夸克给合成中子和质子，再结合成核子，并和电子结合成原子。
太极生两仪表现在由大爆炸中产生时间和空间分化，物质和场的分化，正反物质的分化，阴和阳或负和正的分化。两仪生四象的表现形式形成四种基本作用力，即引力作用、强力作用、弱力作用和电磁作用。
宇宙演化第二层次是天体演化，从3万年到现在的150亿年。在大爆炸后10至30亿年里，是原星系和原星系团的形成，此后是第一代恒星形成，约占了10亿年。依次是第二代恒星、星系等等形成，约从大爆炸开始用了50亿年，从而形成我们现在的样子。
当前宇宙有哪些天体呢？
卫星、行星、恒星、星系、星系团、超星系团、类星体、星际物质、背景辐射、暗物质。
依据目前科学家的计算，从大爆炸开始到现在约150亿年，就是宇宙的年龄，那么它的大小也可算出来，就是150亿年中光所走过的距离。宇宙共分为八层次结构进化。
以上已经是当代科学家的成果了。而在大爆炸理论中，历史上起最重大作用的是苏联的伽莫夫。他是美籍俄裔科学家，由于解释了放射性衰变而出名。他于20世纪30年代在华盛顿任教，后来转至科罗拉多大学。他曾经与玻尔和卢瑟福在一起工作。
伽莫夫把宇宙的起源和化学原素的起源联系起来，运用基本粒子物理学知识，提出了宇宙大爆炸论。
他指出：宇宙物质和辐射都有质量，在今天的宇宙中，物质的质量比辐射的质量大，但是在过去不是这样，在宇宙演化的早期，辐射能曾经比普通物质更占优势。
伽莫夫指出：“从热辐射时代到物质时代的过渡，必定有一个非常重要的事件作为标志，即巨大的气状云块的形成。现代的星系就是从这些‘星系胚’发展而成的。在这以后，由于气体的凝聚而又形成各个恒星。”
伽莫夫还认为，在宇宙开始膨胀的前30分钟，所有化学元素形成。
他的学说与我们在前面介绍的当代科学家对宇宙爆炸的总结相对比，便可以得知宇宙大爆炸的前后发展。
当代科学认为，在宇宙进化的婴儿时期，即从大爆炸到3万年，这又可以分为9个过程，前8个过程只有3分钟。这就是宇宙进化的3分钟。
在火球刚爆炸时，时间开始流动。1秒中不到的第一阶段即10的44次方分之一秒至10的36次方分之一秒之内，发生了“超统一真空相变”，宇宙是由此力体用场和大统一作用场与夸克的轻子组成。
第二阶段是10的36次方分之一秒至10的12次方分之一秒间，发生了“大统一真空相变”。宇宙变为引力作用场、强力作用场、电弱作用场和夸克轻子组成。
第三阶段是在10的12次方分之一秒到10的6次方分之一秒之间，发生“电弱场相变”。之后的宇宙由引力作用场、强力作用场、弱力作用场、电磁作用场和夸克与轻子组成。
第四阶段是夸克结合成中子与质子，约在10的6次方分之一秒发生。
第五阶段是正反质子和正反中子几乎完全湮灭的时期，是稍大于第四阶段时间的时候发生的。约100亿分之一的质子和中子侥幸存下来，构成我们今天的物质，其他的都以湮灭告终。
第六阶段是核子时期，时间在10的6次方分之一秒到1秒。这时宇宙中有光子、中微子、正负电子、质子、中子。
整整前六个阶段的发生，不过是从大爆炸开始1秒间的事情，所以著名的物理理论和科学家常常研究宇宙爆炸第一秒，有很多人是“一秒钟专家”。
第七个阶段是正负电子对的湮灭期。约在爆炸后5秒钟。正负电子相遇而湮灭，变成两个伽马光子，宇宙总电荷为零。
第八阶段是轻核合成期。这时距大爆炸是3分钟。大约1小时，轻核合成的早期阶段完成了，电荷的电子是等离子状态。
前八个阶段总共约3分钟。
第九个阶段是中性原子的形成时期。大爆炸后3万年时期，宇宙主要由氢原子和氦原子组成，还有光子和中微子。
这就是奇妙的大爆炸论，经过许多科学家的努力，虽然在很多地方还要改进，但基本的雏形就是如此。物理学家们已经总结了宇宙的演化，我们在这里就不再介绍了。
与大爆炸相对立的学说主要是稳恒态理论。
1946年的一天晚上，英国剑桥的三位年轻科学家霍伊尔、邦迪、戈尔德，看了一部名叫“夜魂”的鬼怪故事片，霍伊尔说“它以这样的方式巧妙地把4个独立的部分连在一起，使它变成一个圆，即结尾和开头一样”。于是大家想到宇宙是不是也可以如此。
邦迪1919年生，1944年成为剑桥大学硕士。戈尔德是1945年获得剑桥硕士的，他1920年生。二人都是从希特勒的统治下逃出来的，他们那时很年轻，都在剑桥同霍伊尔相识。
霍伊尔以变更爱因斯坦场方程中的能量——动量向量的结构为基础，提出和邦迪、戈尔德同样的模型。
宇宙没有开始的时候。星系看上去在远离我们并不一定代表物质的变稀，而是新的物质正在连续不断地产生，产生的速度正好足够补偿从可见宇宙消失的物质。这种新的物质最终会形成恒星和星系，因此，观察者会在任何时刻都把宇宙看成一样的。
在大爆炸与稳恒态的争论中，一种意见认为物质无中生有违背质量与能量守恒定律，但是反驳意见是，大爆炸也是违反的，而且物质是在开始时刻突然产生，开始时刻无法研究无法解释，只能从开始时刻的第1秒内开始研究，始终研究不了那个“零”时间。
霍伊尔认为背景物质中还会不断有新的物质产生出来，弥补由于不断凝聚成新的星系所引起的耗损。
不断创生的物质从何而来呢？这是不断创生的关键。霍伊尔认为：物质就是出现了——它们被创造了。在某个时刻，组成这些物质的各种原子并不存在，而过了一些时候，它们就出来了。在霍伊尔等人的观点中，从事实出发有两种可能。事实是宇宙在膨胀，那么两个结果都是可能的，要么是宇宙消失，要么是物质创生，他们理所当然选择后者。
后来，霍伊尔又提出了重力能产生物质，这样保证了质能的守恒，但也引发别的困难。总之，稳恒态理论认为：
“当宇宙不断地膨胀时，新的物质便接连创造出来以填补空隙。新形成的物质就是构成星系团的氢。每个星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以至死亡，但又形成了新的星系团。新星系形成，老星系衰亡，但宇宙的总密度始终不变；并且总是存在有各种各样年龄的星系。因此，宇宙不论在任何时候检验都是一样的。尽管个别星系和星系团有变化，但整体图像是始终如一的。这就是所谓无论年龄上还是在空间上都是无限的稳恒态宇宙。”
相比来说，大爆炸理论认为太空温度开始很高，现在只比绝对零度高几度；稳恒态理论认为是零度(无辐射)。从宇宙年龄上说，大爆炸可以计算出宇宙年龄；而稳恒态理论认为是无限的。大爆炸理论认为物质突然产生；稳恒态认为物质连续自始至终创生；大爆炸认为元素是爆炸后马上形成的；稳恒态理论认为元素自始自终出现在恒量中。
可是自20世纪70年代后，稳恒态理论变得没有支持率了，因为一系列的观测事实被大爆炸理论预言并解释：
第一，宇宙年龄问题。
大爆炸理论认为，天体的年龄应小于宇宙年龄。起初有计算为20亿年的，但都被观测所否定。继而，当代大爆炸论认为150亿年这是宇宙年龄，基于此，目前发现的天体可以纳入演化轨道。
第二，微波辐射。
大爆炸理论预言了残余爆炸的辐射，均匀分布在宇宙空间，结果约3K的微波背景辐射的发现强有力地支持了大爆炸。
第三，宇宙中氦的丰度。
天文学中，一直不能解释为什么天体中有相同的氦丰度，并且也不能解释为什么一些恒星的氦丰度(也就是氦含量)是30%左右。在英格利斯的著作中是这样解释的：
“大爆炸宇宙学可以定量地解释氦的丰度问题。因此，在宇宙早期高温的几十分钟里，生成氦元素的效率很高。根据宇宙膨胀速度的测量，以及热辐射温度的测量，我们可以计算出宇宙早期产生的氦丰度。这个数值恰好是30%。这就是说，今天我们看到不同天体上都约有30%的氦，这可能正是100多亿年前的一次事件所留下来的痕迹。”
第四，河外星系的普遍退行，也就是红移现象。
以上事实有些地方还有争议，但是比起稳恒态宇宙论预测的事实来看，大爆炸理论已十分占优势。
1965年以后，稳恒态理论迅速退让，但是大爆炸理论受到的严重挑战依然很多，新的问题不断出现，比如说，微波辐射是否真的各向同性，星系红移分布的周期性等等，严峻的形势不容乐观。
科学探索是不惧怕严峻的。
科学家们自我询问：宇宙会永远持续膨胀吗？会最终坍塌成黑洞吗？这一系列的问题要深入研究，而宇宙论这门学科的性质也变为了实验科学，当然主要是因为微波辐射的原因。
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