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1905年，物理学家对决定两类力（电与磁的力和引力）的定律有了一定的认识。我们已经看到，电与磁的力的定律融合在麦克斯韦的方程中，迫使我们重新思考最基本的空间和时间概念。但牛顿的引力定律呢？它将如何净化绝对空间和绝对时间的观念呢？
1907年，爱因斯坦提出狭义相对论两年后，应约写一个理论评述。在写作过程中，他遇到一个问题：牛顿引力定律是否符合他的相对论原理？答案很简单：不符合。这实际上关系着牛顿引力定律的一个缺陷，在理论提出时就很清楚了。牛顿——和或许更重要的他的批评者——对他的理论的所谓 超距作用 特征感到非常困惑。譬如，在牛顿定律中，如果说太阳突然“跳起”（我们暂且勉强假想某个太空入侵者为它装了一个火箭），那么它对太阳系的行星的影响将在瞬间产生。这无视了行星遥远的事实。例如，海王星距离太阳很远，从太阳发出的光要4个小时才能到达它，而它却要在瞬间回应太阳的突然运动。牛顿因此受到批评——难道他以为有更高级的生物主宰着星星之间的力？但他的定律大获成功，几乎延续了200年，这个问题差不多被人遗忘了。实际上，直到20世纪初才可能真正检验这个恼人的特征。
随着狭义相对论的出现，人们不再可能对它视而不见了。如果说相对论原理适用于电磁而不适用于引力，那是没有意义的。我们很难理解，爱因斯坦的论断——某个时刻在空间某个地方发生的事件，只有至少等光从一处跑到另一处的时间之后，才能影响另一地方的事件——怎么会不能适用于所有自然定律。从实验和观测的角度看，这不是什么显著的问题，算不上一个理论危机。由于光速太快，牛顿理论的运行是非常良好的。在牛顿提出他的定律的200年里，天文学家遇到的大多数情形，都不可能发现信息和相互作用以有限（而非无限！）速度传递的效应，因为光速太快了。尽管如此，爱因斯坦还是开始考虑如何修正牛顿理论，既能保持它的巨大成功，还要它服从相对论原理。换句话说，新定律在所研究的物体运动速度远低于光速或引力作用不 太 强烈的情形下，将回到牛顿定律。
爱因斯坦达成他所说的广义相对论，经历了8年的奋斗，融合了天才卓绝的科学洞察和艰辛的探索。一路留下了很多失败的印迹。但这个理论比1905年的成就，更完整地表现了爱因斯坦的天才。牛顿引力定律与电荷的库仑力定律几乎是相同的，只要用质量代替电荷，两个定律看起来就一样了。爱因斯坦可能是从注意这一点开始研究他的问题的。电力由麦克斯韦方程描述，所以他希望为引力写出类似的方程。
这是我想到的路线，结果是失败的。但爱因斯坦在开始之前想得更深远。他惊讶于行星、恒星和其他天体都相互吸引却从不相互排斥分离的事实。这是不同于电力的地方——质子吸引电子而两个质子互相排斥。引力似乎总是吸引而从不排斥。这很难用库仑定律来比拟。相反，爱因斯坦从牛顿之前的观测找到了线索。
伽利略最有名的实验是他对落体的研究。古希腊哲学家阿基米德（Archimedes）断言重物体比轻物体下落快，这是合理的猜想，却不是基于仔细观察作出的判断。伽利略感觉问题可疑，于是用实验来研究。他是否真的从比萨斜塔落下不同质量的物体，是学者们争议的话题，但他确实做过实验，而且确认了不同质量物体在忽略空气阻碍情况下以相同速度落向地球。（在地球表面，一片纸比一块砖下落慢得多，是因为空气的阻力，但很容易用两个不同重量的重物在相同高度做下落实验。）在接下来的几个世纪里，很多研究者（包括牛顿）改进了观测。19世纪末，匈牙利物理学家厄缶（Baron Loránd Eötvös）做了一个非常灵敏的实验。他的策略是，将不同物体系在横杆上。在如此设计下，如果不同质料的物体以不同方式响应引力，则横杆会运动，否则不会。厄缶发现，对许多物质来说，引力响应是一样的，精度达百万分之一；现代实验将精度提高了几千倍。
在牛顿定律中，质量关乎惯性，即物体在力作用下的加速响应的速率。但它也关乎两个物体之间的引力的强度。牛顿（可能在伽利略影响下）假定这两类质量是相同的。但在他看来这就是一个事实，而不是什么深层原理强加的关系。厄缶（和其他人）在很高精度上确立了
惯性质量
与
引力质量
相同的事实。爱因斯坦从这个观察出发，并假定二者的等价是
精确的
。接着，他借日常生活的装置，做了一个非常简单却十分天才的思想实验。在建立狭义相对论时，爱因斯坦利用当时一项重要技术（铁路）的经验的类比来进行推理，现在他利用了一个更新的技术——升降机。他想象切断升降机缆绳，那么升降机就会自由下落（好吓人的场景）。他注意到，由于假定了惯性质量与引力质量等价，自由下落的升降机中的观测者将经历我们常说的失重。例如，他们会漂浮在升降机里，或者也可以无重力感觉地来回传球。似乎没有引力作用在升降机的物体上。不幸的是，乘客只能坚持到升降机撞到升降机井的底部。不过，我们今天通常在太空旅行中实现失重。国际空间站在环绕地球飞行时，就是在
自由下落
。它因地球的引力而下落，而它留在轨道上是因为向下的引力正好被最初发射提供的动能抵消了，从而令飞船一直保持环绕地球的状态。关闭飞行器的引擎一段时间，也能实现自由下落效应。这是宇航员训练的常规动作。有名的事件是，伟大的引力理论家霍金（Stephen Hawking）在2007年被招待玩过这种飞行。
爱因斯坦没有这种经历的优势，当年最高的建筑也只能下落四五秒。但他意识到从伽利略和厄缶的实验可以导出失重现象。爱因斯坦称他的这一认识是“一生最幸福的思想”，并将它提升为一个原理：没有实验能区分引力场中的自由下落与（升降机里的）均匀加速运动。他指出，这个假说（即“等效原理”）将适用于所有自然定律：引力的、电磁的和尚未发现的。
从这个原理到数学方程经历了漫长的奋斗。爱因斯坦大概知道他在寻找什么，但他踏上旅程时还没有掌握能实现它的恰当数学。德国格丁根的数学教授希尔伯特（David Hilbert，当时最伟大的数学家之一）知道所要的数学，而且也在寻求引力理论：假如他完全理解问题的物理本质，那么他很可能率先得到广义相对论，事实上他也几乎做到了。不过，爱因斯坦在1915年完成并发表了他的广义相对论。理论满足他的基本要求。首先，它符合狭义相对论原理。例如，引力相互作用以光速传播，不存在超距作用。其次，它融合了等效原理。最后，它在极端条件下回归到牛顿定律。在典型的恒星和行星周围，新理论的修正是非常微小的。
爱因斯坦的理论呈现了崭新的空间和时间概念。它们不再是永恒不变的，而要响应物质的存在。空间可以弯曲，时间在不同大小的物质聚集附近可以流逝得更快或更慢。理论的原理简单，但数学相当复杂而计算也可能非常困难。尽管如此，熟悉它的多数物理学家和数学家还是夸它美妙无比。然而，爱因斯坦并不仅仅关心宏大的原理和美妙的数学，他也关心理论的观测结果。由于在大多数条件下理论对牛顿定律的修正极其微小，他不得不寻找效应虽小但足以探测的情景。他提出了3个有可能用当时技术实际检验的预言。
一个预言（也许更恰当地说是“后言”）解释已知的水星运动的疑惑。太阳主宰着每颗行星，行星也相互吸引，但这些效应都相对较小。首先，如果考虑太阳的引力，牛顿已经证明行星如开普勒观测的那样沿椭圆形轨道运动。根据牛顿理论，如果忽略其他行星的引力，轨道将永远保持其形状和方向。
即使在牛顿时代，天文学家研究行星运动也很精确。他们在纸上仔细计算了轨道，修正了各种微弱效应（如行星之间的引力效应）。他们比较了计算与同样仔细的观测结果，发现行星之间的引力和其他效应带来的修正，将导致轨道缓慢偏离牛顿的结果；椭圆将随时间逐渐旋转。对高中解析几何记忆比我好的同学们或许知道，这就是行星近日点的进动。早在1850年代，天文学家就注意到了水星的进动并不 精确 符合牛顿定律预言的速度；还存在微小的偏差。他们提出了各种解释，如小行星或尘埃的影响，但都不令人信服。
爱因斯坦知道水星运动的偏差。他意识到，水星作为距离太阳最近的行星，经历着最强的引力，因而是检验他的理论的恰当试验场。他开始计算对牛顿结果的修正，发现正好能解释观测到的进动。我只能勉强想象他当时的感受。对物理学家来说，发现一个新的自然定律将是最高的成就。我曾猜想过好几个，但每个正确的可能性都不高。实际上，爱因斯坦回忆说，水星近日点的正确结果令他非常兴奋，心跳都加速了，他相信他的理论是正确的。
不过，创造理论来解释可能的观测偏差仍然是“常规”科学的领域。更好的就要来了。第二个预言是真正的预言，就是说他提出了以前没做过的观测并预言了结果。在牛顿理论中，引力被描述为对质量的作用。通过太阳附近的卫星的路径将在太阳引力作用下发生偏转。但在狭义相对论中，质量只是能量的一种形式，而在广义相对论中，引力作用于所有形式的能量。光没有质量但携带能量，所以光线在经过强引力物体附近时会偏离直线。1911年，在理论完全成熟之前，爱因斯坦就计算过这种效应。他发现应该能够看到与太阳连线的恒星会在日食期间发生微小的位置变化。
爱因斯坦是天才，也很幸运。我说过，广义相对论的数学很复杂，在当时还相当陌生。他第一次计算光线因太阳偏折时，理论尚未最后成形，结果证明他的计算错了。如果将光能量通过 E = mc 2 转化为等价质量，那么用牛顿理论也能得到这个错误的结果。1912年和1914年，两度观测日食的光线偏折的考察都没结果，第一次是因为下雨，第二次是因为第一次世界大战爆发而被取消了。1915年，他发表了最终形式的广义相对论，得到了光线偏折的正确结果，发现它是牛顿数值的两倍。因战争阻碍，直到1919年才继续新观测。那年，英国天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）和格林尼治天文台的克罗姆林（Andrew Crommelin）分别率远征队去普林西比岛和巴西，成功观测到了光线偏折效应。结果在皇家学会和皇家天文学会联合会议上宣布：爱因斯坦的预言被证实了。当时爱因斯坦在科学界已经有些名气，大众媒体偶尔会出现关于他的文章，但现在，他的名字妇孺皆知了。1919年11月17日《泰晤士报》（ London Times ）的头条标题颇有代表性：“科学革命，宇宙新理论，牛顿思想颠覆”。
我上学时，爱因斯坦的广义相对论是一门迷人的课程——任何自诩理论物理学家的人都知道它有多迷人。不过，如果真说自己要以它为 业 ，是会遭白眼的。那时只有非常有限的证据证明这一理论是正确的（除了近日点和光线偏折，就只有所谓的 红移 现象），看上去可能只有梦想家才会想象新的检验。更糟糕的或许是，当它与量子理论（下一章的主题）结合时，似乎没什么意义。解决 这个 问题更可能将你推向深渊。不过，当时的大理论家，如费曼和朗道（Lev Landau，20世纪最伟大的苏联理论物理学家之一）还是做过一些事情。最有名的大概是霍金，他在1980年代提出了一些新问题，挑战广义相对论和量子力学 能够 调和的观点，还指出有必要重建量子力学。
在我的求学过程中，这一切给我带来了巨大改变。爱因斯坦理论现在是久经考验过的理论，我们对广义相对论的理解是宇宙探索的重要工具。黑洞观测几乎成为常态。广义相对论是决定宇宙组成的重要工具，而且我们将看到，它也是认识大爆炸的根本。最近，这一理论在100年前预言的引力波被发现了，打开了天体物理学现象的新窗口。广义相对论甚至在我们的导航软件（通过全球定位系统即GPS）中也发挥着作用。在量子力学方面，我们同样学会了很多，尽管对我们已知事物（和未知事物的线索）的实验证明可能还没有到来。
爱因斯坦在1915年论文中提出的两个实验检验我们在上面说过了：水星轨道的进动和光线被太阳偏折。第三个预言直接与时间有关。在狭义相对论中，两个相对运动的观测者不仅不能达成一致的时间，也不能赞同两个事件同时发生。在广义相对论中，情形变得更为极端。例如，在邻近大质量恒星的引力场中，时间流逝非常缓慢。这个被称为 引力红移 的效应，最先由庞德（Robert Pound）和雷布卡（Glen Rebka）在1959年的实验中发现。效应在地球上很微弱。两人在引力导致的一种特殊原子过程（穆斯堡尔效应）中测量了频率（每秒的振动次数）变化。效应只有千万分之一！想象作为时钟的原子每秒振动2 ×10 19 次（或者说每5 ×10 -20 秒即5万亿亿分之一秒振动1次）。庞德和雷布卡的精巧实验在哈佛大学的一座实验楼里进行，他们观测到1秒大约10 12 次振动变化，这可是发生在10 -26 秒内的变化！在太阳表面，引力强度大约是地球的3000倍，因此时间慢千分之一。
在中子星附近引力场中，这个效应会更显著。中子星是超新星爆发（宇宙间最剧烈的事件之一）的残骸。它们一般具有与太阳差不多的质量，但挤压在1千米的半径内（而太阳的半径大约是700 000千米）。所以，中子星密度大约是太阳的10 18 倍——之所以称中子星，是因为它基本由中子聚集在一起。在中子星表面，地球上1克（一小勺）质量的水将重达10 000吨（地球表面的10亿倍）。在这样的环境下，时间会真正慢下来。通常的一小时大约会拖延到两小时。它依赖于中子星的精确质量，实际上有可能变得 更 慢。
好戏才开始呢。中子星差点儿就变成黑洞，而黑洞内部与周围的空间和时间是真的荆棘丛生。实际上，质量与太阳差不多的黑洞可能像中子星一样从星体坍缩而来。
在中子星附近，生存可能都成问题。不仅你的体重将是地球表面的10亿倍，你脚下的引力也远大于你头顶的引力。你会被多出来的百万吨力撕得四分五裂。
不必担心。我们不会在近期去中子星旅行，如果有人能从旁边经过，他当然会小心避免靠得太近。除了作为科幻小说的情节外，这个例子只是拿来说明引力有着怎样极端的效应。特别说来，太阳附近微弱的光线偏折效应将被中子星放大。中子星表面发出的一束光将被强大的引力拉扯，几乎跑不出去。
黑洞是比中子星更极端的情形。1939年，当时在加州大学伯克利分校的奥本海默和他的学生斯奈德（Hartland Snyder）最先想到了黑洞。他们意识到，星体坍缩可能不仅生成中子星，还应该有更致密的东西——致密到 光都不可能克服其引力吸引而逃脱出来 。不久，奥本海默就投身曼哈顿计划（美国在二战时期发展核武器的工程），后来便转做科学管理和科学政策工作，再也没回到他的黑洞考察——许多人认为这是他最重要的纯科学成就。最终分析奥本海默-斯奈德研究结果的是普林斯顿物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）。实际上，用 黑洞 一词来命名那种物体的正是惠勒。根据惠勒和后来研究者的认识，如果星体爆炸后留下的物质团块足够重，它就会强烈扭曲空间和时间，使它永远从人们视野中消失，正如由于地球曲率的原因，我们不再能看到海上消失在地平线外的轮船。（当我们看海时，如果从离海平面100米的高度望去，到地平线的距离大约是22英里。）刻画黑洞只需要几个简单的性质——质量、电荷（可能没有）和绕自己轴线的旋转速率（正如地球大约每24小时绕地轴旋转一周），而关于原始星体的其他每一点信息似乎都丢失殆尽了。
黑洞的这个地平线——通常叫 事件视界 ——是一个奇异的地方。可以认为它是黑洞的表面。在从中心到视界的距离，时间和空间混在一起了——时间行为像空间，空间行为像时间。这其实是一个不归点，落入黑洞的物体不可能再跑出来，从中心发出的光也在这里终止。牛顿的绝对时间概念显得更加委顿了。
然而，对质量足够大的黑洞，旅行者乘火箭穿过视界不会看到任何奇怪的事情。只有当他们不能与控制中心联系时，才会发觉问题。真正的灾难将发生在他们趋近黑洞中心的时候，正如中子星的情形一样，他们将在那儿被撕裂。在这个点上，尚不清楚我们的空间和时间概念有什么意义（可怜的航天旅行者才不在乎呢）。物理学家和数学家称黑洞中心为 奇点 ，爱因斯坦方程在这个点（和附近）将不再有意义。那么在中心处到底发生了什么？
我读研究生时，黑洞还是玄想的东西。天文学家有一个黑洞候选者，是一个叫天鹅座X-1的天体，这是距离地球约6000光年的一个双星系统，由一颗可见的恒星和另一个致密天体构成，两个天体相互绕着对方旋转。第二个天体质量很大，可以通过它对第一个天体的效应来探测。这个系统还发射X射线。这些年来，通过对这对天体（当然不是黑洞本身）发出的辐射的研究，证实天鹅座含有一个黑洞。X射线是星体碎片被黑洞吸收时发射的。黑洞的质量可以从它对可见星体运动的影响推测出来。实际上，天文学家 知道 ，任何如此质量的天体，如果是由普通恒星坍缩形成的，那就是黑洞。
如今黑洞几乎成了老生常谈。已知有很多像天鹅座X-1的天体，与其他星体成对，被它们发射的X射线暴露出来。近几年，我们通过它们碰撞时发出的引力波发现了更大质量的黑洞。也许更令人震惊的是在许多星系（包括我们银河系）中心发现的超大质量（大约是太阳质量的400万倍）黑洞。于是，大自然让我们直接面对爱因斯坦理论所要求的扭曲的空间和时间。
2020年，根策尔（Reinhard Genzel）、盖兹（Andrea Ghez）和彭罗斯（Roger Penrose）因黑洞研究的成果获得了诺贝尔奖。盖兹是研究超大质量黑洞的，我特别高兴她能获奖。十多年前，我应邀在国家科学基金会和能源部资助的一个会上报告粒子天体物理的未来。那时PPT软件刚开始流行，我还是用记号笔和塑料纸（叫透明胶片）准备演讲。在我的会场，第一个讲话的是美国国家航空航天局（NASA）的高级主管。他用漂亮的PPT幻灯片，谈了他们的星系中心黑洞成像计划，这在当年还是一个玄妙的主题。我为自己的老套工具感到沮丧。幸运的是，接下来讲话的是著名的望远镜设计师安杰尔（Roger Angel），他的胶片全是黑白的，几乎看不清。我的至少还是多色的，而且很整洁。不过，就整个华丽的幻灯展示来说，我真正想说的是，仅仅两年后，我听说盖兹通过研究星体环绕黑洞的轨道，揭示了黑洞的存在，而我正好在课堂上用着她的网页的图片。盖兹后面将在我们的故事中出场。
当我们将宇宙作为整体考虑，空间和时间概念会面临更极端的威胁。时间似乎必须有一个起点。
在爱因斯坦的理论中，能量令时空弯曲。但即使在太阳表面或水星轨道，这种效应也是非常微弱的。所以爱因斯坦等人勇敢地转向他们所能想象的最大能量总和——整个宇宙。我说他们勇敢，是因为与今天相比，那时的天文学家对我们银河系也只有有限的认识，对我们今天知道的远到130亿光年的宇宙图景更是一无所知。
即使有了20世纪初的那点知识，将宇宙特征写进爱因斯坦方程也是一个问题，那是当时的铅笔加纸张的技术所无法解决的。爱因斯坦一开始就用了一幅简单的、乍看十分疯狂的宇宙图像。他假定无论在什么地方、从什么方向，宇宙看起来都是一样的。当然他还没有完全疯狂——他只是以假说的方式认为，不论从大尺度看还是粗略地看，宇宙都具有上述性质。想象从太空看地球。你两眼看到的是彩色的球面，而分辨不清表面的细节结构。这是爱因斯坦的“宇宙学原理”的本质。但在当时，没有任何证据支持这个哪怕只是粗略形式的假说。
这个假定的结果是全新的东西——整个宇宙的模型，而且是一个有精确实验观测预言的模型！相关方程是圣彼得堡的俄国物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）在1922年首先导出并求解的。解的最显著特征是宇宙不是 静态的 ，而是随时间膨胀。这个论断令人颇感疑惑。宇宙膨胀是什么意思？我们拿吹气球来类比（这跟模型的数学相差不远）。在吹气球之前，在表面标记一些点，代表二维宇宙（就是气球球面）的星体或星系。现在，气球吹胀了，会发生什么呢？随着气球的膨胀，球面的点会相互远离。从任何一个星体（点）的观点看，其他星体都在离开它。爱因斯坦的理论准确预言了这种行为——只不过它在三维空间的世界而非二维。它还预言了星体离开我们的速度正比于它到我们的距离。
为理解这一思想飞跃的性质，需要知道当时人们对大尺度宇宙的认识是多么有限。实际上，只是到了那个时期，天文学家们，其中最有名的是哈勃（Edwin Hubble），才发现我们银河系之外存在其他星系。哈勃生于1889年，经过一段弯路才走进天文学。他先听从父亲的要求学法律，然后又在中学教书；父亲去世后才去芝加哥大学读天文学研究生。一战期间短暂服役后，他又到英国剑桥大学继续研究天文学，1919年在加州帕萨迪纳的威尔逊山天文台谋得一个职位。当时世界最大的天文望远镜就坐落在那里，为他打开了梦寐以求的宇宙大图景。那时，很多天文学家相信银河 就是 宇宙。哈勃的研究改变了他们。他 证认 了不同的星系，测量了其他星系相对于我们的运动速度。他发现，总体上看，所有星系都在离开我们，离开的速度正比于到我们的距离。那个比例系数就是著名的哈勃常数。
我记得是在研究生期间的一个学术会议上第一次知道了哈勃常数的测量。报告人是天文学家特林布尔（Virginia Trimble），当时她停顿了一下，然后说这个结果可以理解为证明了哥白尼（Copernicus）是错的；我们确实处在宇宙的中心。接着她提出了另一种解释——就是我们前面看到的，将宇宙视为气球，它的膨胀在每点看起来都是一样的。
不管怎么说，哈勃最初的结果完全符合爱因斯坦理论的预言。哈勃的测量其实并不十分精确。他的宇宙膨胀速率的结果几乎比我们今天知道的数字差了10倍。但他的工作开启了百年的求索：认识宇宙历史、探究宇宙的大尺度结构、检验爱因斯坦理论。
爱因斯坦理论从宇宙今天看起来的样子预言了宇宙在膨胀。相应地，如果回溯过去，宇宙是收缩的。如果回溯足够远，宇宙会无限小——所有事物都聚集在一起——其紧致程度超出人们的想象。数学家将爱因斯坦方程中的时间起点描述为一个奇点。方程在奇点将失去意义。这就是我们所说的 大爆炸 的瞬间。爱因斯坦理论在这个时刻崩溃了。崩溃确切发生在什么时候，在那之前发生了什么，将是我们探索的核心问题。不过现在我们只是像爱因斯坦和他的同辈那样，将这个结果视为方程的一个特征。
时间有起点的思想可能令人困惑，也可能令人动心，主要看个人的世界观。它肯定令英国大天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）困惑了，他认为这简直就像宗教而非科学。实际上，正是霍伊尔在一个广播讲话中提出了大爆炸的名字，他并不是用这个词来赞美理论（后来他声明没有拿它来侮辱理论）。但我们将看到，支持理论的证据在过去几十年里令人应接不暇。同时，大爆炸的名字也固定下来了。1993年，《天空与望远镜》（ Sky & Telescope ）杂志搞了一个新名词竞赛，反映理论的进展状态。但大爆炸的说法已深入人心，他们觉得最好还是不要画蛇添足弄什么新名词了。
当我们回望遥远的过去，经过爱因斯坦两次修正和细化的时间概念，至少在大爆炸时刻之后是安然无恙的。所以我们可以尝试将宇宙历史构建回到极早期。关于大爆炸3分钟以后的宇宙状态，我们有很好的理解和可靠的证据。我们可以追溯那以后的各个时期，展望至少数百亿年的未来。
回望宇宙时，我们现在看到的事物——恒星、星系和尘埃粒子——都挤压在一起。在很早的时期，行星、恒星和星系都还是破碎的原子集合。它们相互撞击，然后变热。宇宙变得越小（在历史回放的场景中），就变得越热。
如此倒转时钟令人眼花缭乱。俄国流亡物理学家伽莫夫（George Gamow）和他的研究生阿尔弗（Ralph Alpher）在二战后不久，发展了一种更有意义的方法。伽莫夫从苏联逃出来，1933年先到法国，次年转到美国。他的余生在圣路易斯华盛顿大学和科罗拉多大学博尔德分校当老师。他对核物理有令人瞩目的贡献。他也是成功的科普作家，而且喜欢玩恶作剧。但他特别重要的贡献是将爱因斯坦的宇宙学推到了恒星和行星形成前的时期。由此才形成宇宙自极早期以来的历史，才有可能观测检验哈勃的宇宙膨胀以外的现象。
伽莫夫和阿尔弗一开始就假设大爆炸后若干秒存在某个宇宙 极 热的时刻。他们推测温度比太阳中心温度高数百万倍，约2700万华氏度（约4500万摄氏度）。
温度是原子和分子运动速度的度量。我们周围空气的分子在室温下运动很快——通常大约为100米每秒或100千米每小时。它们朝各个方向运动，相互碰撞（也跟我们碰撞，令我们感觉热）。虽然分子运动很快，但跟光（爱因斯坦以后速度的黄金标准）比起来还是极其缓慢的。在太阳中心，温度比室温高10 5 （即10万）倍，原子运动速度大约为光速的10 -4 （万分之一）。这个速度够快了，足以使电子跟质子分离；太阳核心几乎完全是电离气体。但伽莫夫和阿尔弗推测，在这样的温度下，不仅所有气体电离，原子核本身也会解体。他们构想了一个由独立且自由运动的质子、中子、电子和光子（构成光的粒子，是我们整个故事中的重要角色）构成的宇宙。他们想象温度大约为10 14 度（华氏、摄氏或开尔文对这样的温度都没什么影响。例如，1万亿摄氏度大约等于2万亿华氏度，开尔文温度只比摄氏度多273）。
除了高温下的质子、中子、电子和光子，还有一种奇异粒子，将反复出现在我们的故事里，它叫中微子。中微子能维持质子和中子数的基本平衡，在其中发挥着双重作用。首先，它与质子碰撞生成中子和其他粒子；其次，中子可以辐射衰变，生成中微子、质子和电子。光子与质子碰撞将阻碍质子和中子结合形成更复杂的原子核，与电子碰撞则阻止原子的形成。
但宇宙随着膨胀而冷却，会减缓其不同组成物质的运动。最后，中微子不再有足够的能量将质子转变为中子。有些中子发生衰变，有些结合质子形成氢的同位素，其原子核有一个质子和一个中子，叫氘。质子和中子也可以结合形成更复杂的原子核，如氦和锂。实际上，宇宙的许多物质，如氘、氦和锂核，都是这样形成的。更重的核则在以后主要通过恒星中的氢燃烧形成。轻元素在早期宇宙形成的过程叫原初核合成，大约发生在大爆炸之后3分钟。对某个时段，我们很清楚核反应和宇宙的性质，能预言每种轻元素应该有多少。天文学家测量了氢、氦和其他轻元素在宇宙的比例，与理论预言十分吻合。
但从这些考虑中涌现出另一个令人震撼的预言。在这个阶段，宇宙仍然是极端高热的，它还不够冷，要等温度降到百万开尔文（或200万华氏度）以下才可能形成原子。在伽莫夫和阿尔弗开展研究时，他们只是大概知道宇宙在那个时段有多老。我们现在知道中性原子大约形成于大爆炸10万（10 5 ）年后。如果说轻元素丰度是最初3分钟的残留痕迹，那么这个10万年标志有着更显著的遗迹——充满宇宙的微波，即宇宙微波背景辐射（CMBR）。这个时期叫 宇宙重组 时代。
在这个时期之前，光子——爱因斯坦1907年提出的组成光的粒子——不断与电子和质子碰撞，只能在粒子间运动很短的距离。然而，一旦宇宙由中性原子构成，光子就能几乎毫无阻碍地穿过整个宇宙。伽莫夫和阿尔弗认识到，这些光子今天仍然围绕在我们周围。在宇宙重组时代，它们将具有可见光的波长。根据爱因斯坦的引力红移，典型光子的波长会长得多，接近电磁炉里的微波。
宇宙微波背景辐射是1964年被令人惊讶地偶然发现的，差不多是在伽莫夫和阿尔弗研究工作的20年后了。当时有几个隶属大公司的工业实验室，特别有名的如贝尔实验室，在新泽西州有几处场地。贝尔实验室由AT&T（美国电话电报公司）运营，当年AT&T是电话通信业的龙头。另一个实验室是IBM（国际商业机器公司）在纽约约克敦海茨的研究中心。这些实验室的科学家从事与企业要务直接相关的研究，但他们也经常能自由探索他们发现有科学意义的问题。在新泽西州霍尔姆德尔的贝尔实验室工作的物理学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）建造了一个为射电天文学设计的大型天线。作为优秀的实验家，他们首先想到的是检验自己的仪器，便将天线对准一块他们认为没有电波信号的天空，目的是 验证 他们接收不到任何信号。然而，他们发现了令人震惊的东西，类似于你调汽车收音机时听到的背景噪声。他们最初认为这反映了仪器问题，于是开始一系列检查和测试，想找出问题来源。当他们看到有鸽子在天线上筑巢时，就更觉信号可疑，甚至以为鸟粪是罪魁。他们拆卸并清洁了天线，但信号依然存在。最后，他们与普林斯顿的天体物理学家迪克（Robert Dicke）和皮布尔斯（Jim Peebles）会面。那两位正研究宇宙微波背景辐射问题，皮布尔斯做理论，迪克设计寻找它的实验。他们向贝尔实验室的两个研究者解释了背景辐射的预期频率和强度，彭齐亚斯和威尔逊立刻着手确定这是否就是他们发现的信号。当然，故事的要点就是，它是。最初数据很少——只知道几个频率值的信号强度，但在接下来的几年，专门测量令情况大为好转。很快就弄清了信号强度，也发现了它对强度的依赖方式恰好符合伽莫夫和阿尔弗（以及后来的皮布尔斯和其他人）所作的预言。实际上，今天理论与实验已经达到了近乎完美的一致性。
微波辐射的谱以一种普适的方式依赖于辐射的温度。所以辐射的测量提供了今天宇宙温度的量度。但它还给出了更多的东西：检验了宇宙学原理。天体物理学家通过研究从不同方向到达地球的辐射，发现温度在所有方向都是高度相同的。因为辐射来自遥远的距离（已经走过了135亿年），这个证据表明，正如爱因斯坦假想的那样，在大距离尺度上，宇宙在各个方向都是处处相同的。相应地，在过去几十年间，对非常遥远的星系的探测也证明，从大尺度看，物质以相同方式在所有方向均匀分布。天文学家说宇宙是均匀（光滑）的和各向同性的（在所有方向都相同）。
可是，从一定意义说，这结果也好得太假了。宇宙当然不是完全均匀和各向同性的。最合理的解释大概是，在宇宙开始时，只有很小的非均匀性和各向异性，这些缺陷随宇宙膨胀和老化而增大。但长期说来，在宇宙微波背景辐射中没有这方面的证据。实际上，人们很快就测量出宇宙微波背景辐射在万分之一精度上是均匀的和各向同性的。
这样我们便从实验和观测得到了宇宙从大爆炸3分钟以后直至今天的130多亿年的历史。然而我们仍然不知道爱因斯坦方程的奇点意味着什么，以及宇宙是否真有一个起点。