19世纪初，英国物理学家渥拉斯顿制造了一架分光镜，用来分析太阳光。这是一架破译光线密码的仪器，它能像雨后彩虹那样把白色太阳光分离成五彩缤纷的光谱，让隐藏在光谱里的宇宙奥秘暴露在天文学家面前。分光镜之所以具有奇妙的功能，源于光线是一种电磁波，每一种颜色都有自己的波长。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的波长依次变短，频率依次变高，红光波长较长，频率较低，紫光波长较短，频率较高；白光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光线混合而成的。因此，利用分光镜可以分析出天体发射的光线里含有哪些成分。换句话说，利用分光镜可以破译天体光线的密码，获取天体的信息。
1842年，奥地利物理学家和数学家克里斯琴·约翰·多普勒提出一条原理，被称为“多普勒原理”。该原理指出，当发射光线的物体相对于观测者运动时，观测到光线的波长要发生变化——光源向观测者运动时，光被压缩，波长变短，频率变高，出现蓝移(也称紫移)；相反，当光源背离观测者运动时，光被拉伸，波长变长，频率变低，出现红移。光源运动的速度越高，这种效应越显著。因此，根据光线是红移还是蓝移，可以计算出光源在视线方向的运动方向，根据红移或蓝移的大小，可以计算出光源在视线方向的运动速度。根据多普勒原理，恒星光谱线的位移既能显示恒星是向着还是背着观测者运动，也能据此计算出恒星的运动速度大小。
1928年，哈勃利用多普勒原理研究新发现的星系的红移，借以找出星系的移动速度。他分析了许多星系的速度，并按照星系的远近列成表，观察它们的速度同星系距离的关系，结果得出了一个令人震惊的结论：离我们越远的星系红移越大，远离的速度越快。1929年，他在星系速度与距离之间建立了一个有趣的关系：离开越远的星系红移越大，远离的速度也越大。这就是著名的哈勃定律。由这条定律得出结论：宇宙在膨胀。
哈勃的发现引出一个问题：如果宇宙在膨胀，那么是什么促使它膨胀的呢?天文学家从哈勃的发现中寻找出答案。哈勃发现，宇宙中的星系在相互移开，用天文学上的术语，叫做“退行”，而且是自然“移开”的。所谓宇宙在膨胀，并非星系在离开我们，而是空间本身在伸展。也就是说，宇宙和星系就像练球房和球一样，球是星系，练球房就是宇宙，练球房“膨胀”了，球与球之间的空间自然就增大了。科学家由此想到：在过去某些时间，“练球房”和“球”不都在一个中心点吗?追溯到过去，中心点——宇宙的爆发点温度比现在高，密度比现在大，而且越早期温度越高，密度也越大。宇宙是从一个高温、高密状态膨胀演化而来的。因此，苏联著名天文学家伽莫夫在20世纪50年代提出了大爆炸宇宙学理论。
根据这一理论，大爆炸发生在一瞬间，而宇宙就是在这个瞬间诞生的。宇宙诞生以后，曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期，宇宙体系并不是静止的，而是在不断膨胀，使物质密度从密到稀演化。根据大爆炸宇宙学，大爆炸的整个过程是：在宇宙早期，温度极高，在100亿K(开氏度)以上，物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡，那时宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质；由于整个宇宙体系在不断膨胀，结果温度很快下降，当温度下降到10亿K左右时，中子开始失去自由存在的条件，或者发生衰变，或者与质子结合成重氢和氦等元素，开始形成化学元素；当温度进一步下降到100万K后，早期形成化学元素的过程结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核；当温度下降到几千摄氏度时，辐射减退，宇宙间的物质主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气体云，再进一步演化形成各种各样的恒星、星系和星系团，成为我们今天看到的宇宙。
