現代科學無法描述或解釋大爆炸後10-43秒內發生的事情。這個時間間隔:10-43秒，被稱為普朗克時間，是根據德國科學家馬克斯？卡爾。恩斯特？以普朗克命名。普朗克首次引入能量不是連續可變的概念，而是由具有特定能量的“單位”或“量子”組成。量子論是大多數現代物理學的基石，它處理最小尺度的宇宙問題，被列為20世紀理論科學的兩大成就之壹。另壹個是愛因斯坦的廣義相對論，涉及非常大尺度的物理——天文尺度。
雖然這些理論在各自領域都得到了實驗和觀測的完美驗證，但是調和這兩種理論的努力卻遇到了很大的困難。特別是他們處理時間的方法有著根本的不同。在愛因斯坦的理論中，時間是壹個維度，是連續的，所以我們可以平穩地從壹個時刻過渡到下壹個時刻。在量子理論中，普朗克時間代表了壹個基本極限:具有壹定意義的最小時間單位，也是理論上可以測量的最小時間單位。如果我們制作最精確的時鐘，我們會發現它會不規則地從壹個普朗克時間跳到下壹個。
試圖調和這兩種截然相反的時間概念是21世紀物理學面臨的主要挑戰。近年來，在“弦論”和“膜論”中也進行了這種嘗試。目前，量子物理學主導了大爆炸後緊接著的又熱又密的微小宇宙舞臺。我們對宇宙的科學研究開始於大爆炸後10-43秒。
大爆炸的概念與直覺相反，我們的常識似乎更容易接受壹個靜態無限的宇宙概念。但是有科學理由相信大爆炸這個奇怪的事件。如果我們接受大爆炸，將有可能清楚地看到整個事件的進展，從第壹個普朗克時間直到我們現在生活在地球上。
自然界的力量
誇克這種性質的原因與將誇克束縛在壹起的力的不尋常性質有關。這種力被稱為強核力不是沒有道理的。它只在非常小的範圍內占優勢，所以我們需要使用非常強大的粒子加速器來分裂質子。與我們所熟悉的大尺度環境中的力不同，比如重力或者相反電荷之間的引力，強度隨著距離的增加而增加。換句話說，如果我們能把兩個誇克分開，我們會發現，分開的距離越大，它們之間的拉回力就越大。最後，當誇克分離到壹定程度時，註入這種變形的能量是如此之大，以至於能量轉化為質量，產生了兩個新的誇克。這樣，我們突然得到了兩對誇克，而不是像預期的那樣把誇克分開隔離。這個過程意味著我們在實驗中從未產生過獨立的誇克。在日常世界中，誇克只是作為其他粒子的組成部分而存在，例如質子和中子各含有三個誇克。
在大爆炸後的極熱宇宙中，誇克有足夠的能量自由運動。因此，通過了解最大尺度的宇宙過程，我們可以增加對最小尺度的粒子的了解。每個粒子在宇宙開始時獲得的能量，比我們在粒子加速器中所能制造的能量要高得多。即使我們建造壹個和太陽系壹樣大小的加速器，也不可能產生如此巨大的能量。
值得註意的是，目前我們通過粒子物理對微觀世界的研究與我們通過宇宙學對非常大尺度的宏觀世界的理解緊密交織在壹起。為了了解整個宇宙，我們不得不依賴於對基本粒子的了解，而這項研究的最佳實驗室就是萌芽中的宇宙。壹個充滿高能基本粒子的熾熱空間，是我們想象的新宇宙最早的場景。
重力，宇宙的力量
壹般認為，在天文距離上唯壹起作用的力是引力。對於壹個物體來說，無論是恒星、行星、人還是雲，引力的強弱取決於它所含物質的多少。註意質量和重量是不壹樣的。質量表示存在多少物質，而重量表示由於重力產生的力的大小。所以地球軌道上的宇航員處於失重狀態，但他沒有失去質量。重力可以定義為使質量產生重量的力。比如月球是太陽家族中的小成員，引力太小，無法保持大氣層。地球的質量比月球大得多，吸引物體的能力也強得多，所以幸運的是，它維持著我們需要呼吸的大氣。同樣，在早期宇宙中，物質的致密區域比稀疏區域具有更大的引力，可以吸引周圍的物質，從而進壹步增強其引力。所以這個過程壹直在加速，正如人們常說的:富人越富，窮人越窮。
這些密集區也有局部的密度差異，所以也有類似的過程。質量越大，引力越強，從周圍吸引的物質聚集越多。利用計算機可以重建當時的場景，從而建立更好的模型來反映早期宇宙是如何演化成現在宇宙的大尺度結構的。
無論這種結構是在哪裏形成的，都必須考慮兩個對立的因素:來自大爆炸的空間膨脹和重力作用下局部物質的收縮。壹旦天體在形成過程中積累了足夠的質量，就可以抵抗整體的膨脹，壹起收縮。
壹個星系團的祖先起初很小，隨著宇宙的膨脹體積不斷增大，不斷從周圍吸收物質。隨著積累物質的耗盡，它的增長越來越慢，直到停止膨脹。這個原始星系團已經達到了最大範圍，有能力凝聚到最終大小。引力隨著距離的增加而減弱，所以在宇宙演化的這個階段，收縮只能在非常小的範圍內發生。這樣，只有氣體團的原始星系開始形成。
光的產生
在災難性的通貨膨脹時期之後的30萬年裏，沒有發生大的變化。支配宇宙演化的物理環境幾乎保持不變。宇宙變成了壹個變化不那麽劇烈的地方。隨著溫度的降低，質子和中子的速度也變慢。但是正如我們將要看到的，物質和輻射仍然是混合在壹起的。從我們的角度來看，這個時期的宇宙與今天看到的原始恒星宇宙最大的不同在於，在這個非常早期的階段，宇宙是完全不透明的。
電磁波，包括可見光，也可以看作是光子流。光子是壹種無質量粒子，運動速度為每秒30萬公裏。在量子力學的奇妙世界(也許是現代科學中最好的被證明的理論)中，我們已經無法明確區分“波”和“粒子”，而是接受任何物質都會在兩者之間表現出“波粒二象性”。就像那些我們傳統上認為是粒子的實體，如電子和質子壹樣，光在某些時刻的行為類似於粒子，稱為“光子”，而在其他時候，它的行為類似於波。
每個光子都攜帶壹定的能量，這是由光的顏色決定的，所以可以說電磁波是光子流。現在讓我們追蹤其中壹個光子的軌跡。它可能起源於早期宇宙中質子和反質子的碰撞。在這種非常密集的環境下，這個光子會遇到壹個電子，在很短的距離內被吸收，電子會獲得能量。之後，光子可能會再次發射，但與原來的方向無關。這個過程不斷重復，結果是光子在任何方向都行進緩慢。
但是當宇宙在大爆炸30000年後冷卻到3000度時，壹個突變發生了。在這壹關鍵時刻之前，構成普通原子的最輕也是運動最快的粒子——電子運動得如此之快，以至於較重的原子核都無法捕獲它們。但在3000度的溫度下，它們再也無法逃脫原子核的俘獲，第壹批中性原子產生了。從原子尺度上看，被俘獲的電子在很遠的距離上圍繞著原子核，但如果與原子間的距離相比，電子離原子核很近。這樣，新形成的原子之間的空間就變得空無壹物，光子可以突然毫無阻礙地移動很長壹段距離。換句話說，物質和輻射是分離的，大爆炸30萬年後，宇宙變得透明。
擋光板
我們已經知道，在微波背景輻射產生之前，宇宙是不透明的，光不能在內部傳播很遠。就像我們看不到地球上的雲層內部壹樣，我們也看不到這壹刻之前發生了什麽。這個類比並不完全準確，因為雲本身並不發光。太陽是壹個更好的例子。從外面看，太陽有壹個精確的表面:光球，但我們實際上看到的只是物質開始變透明的邊界。在光球層中，氣體是如此的熱、亮、密，以至於光子在沒有碰撞的情況下是無法穿透的，就像宇宙大爆炸剛發生的時候壹樣。在光球層之外，氣體變得透明，光子可以自由通過，就像宇宙剛剛變得透明的那壹刻——宇宙微波背景產生的那壹刻。
要看穿雲層，我們有壹個替代方案:無線電波可以輕松穿過雲層，因此我們可以獲得雲層外部或內部的信息。這種技術在宇宙微波背景下是行不通的。30萬年是對所有電磁輻射的限制，這似乎是壹個不可逾越的障礙。那麽，我們如何能如此自信地描述此刻之前的情形呢？這時候就需要靠理論了。這些理論中有許多已經成功地預測了微波背景輻射是什麽樣子，這樣我們就可以將理論與實際的宇宙微波背景進行比較，並得出適當的結論。
但更理想的，當然是我們希望跨越這個障礙，看到過去。為了實現這個目標，出現了很多想法。比如探測在微波背景輻射時代之前存活下來並保持不變的高能粒子。現在我們已經開始尋找微小的、幾乎沒有質量的中微子或其他怪異物質形式的這種粒子。但真正能探測並確定其來源的中微子望遠鏡還有待建造。
範圍
艾薩克？牛頓爵士第壹次讓壹束太陽光通過玻璃棱鏡，證明了太陽光是從紅色(長波長)到紫色(短波長)各種波長的混合。他把太陽光通過壹個小孔和壹個棱鏡送出去，然後形成壹個彩色的光帶，這是第壹個故意做出來的光譜。牛頓沒有做進壹步的實驗，可能是因為當時棱鏡的玻璃質量差，無疑更有可能是有其他的事情等著他去考慮。下壹個真正的進展來自英國科學家W.H .沃拉斯頓。在1801中，沃拉斯頓把屏幕上的小孔換成了壹個狹縫，得到了壹個帶狀的太陽光譜，上面有許多暗線穿過。沃拉斯頓認為這些線條只是顏色之間的界限，從而錯過了壹個重要的發現。十幾年後，德國眼鏡商約瑟夫？弗勞恩霍夫做了這個。
像沃拉斯頓壹樣，弗勞恩霍夫獲得了太陽光譜。他畫下黑線，發現它們的位置和強度是不變的。例如，在光譜的黃色部分有兩條非常明顯的暗線。這些線條是怎麽形成的？1858古斯塔夫？基爾霍夫和羅伯特？本森給出了答案，奠定了現代光譜學的基礎。
就像望遠鏡收集光線壹樣，分光計將光線分解成彩虹般的光譜。觀察發光固體或液體的光譜，可以看到彩虹般的連續帶；然而，低壓氣體的光譜是非常不同的。與色帶不同，只能看到離散的亮線，即發射光譜。基爾霍夫和本生發現，每條譜線都是特定元素或元素組合的符號，不會重復。例如，鈉產生兩條亮黃線和其他亮線。有些元素具有復雜的光譜，例如鐵，它有數千條譜線。他們偉大的洞察力是太陽光譜中的暗線對應於實驗室中發光氣體光譜中的亮線。現在已經知道，每條譜線都是由氣體原子外層電子的特定態躍遷產生的。如果氣體很熱，當電子的能級降低時，能量就會釋放出來，我們可以看到發射線；如果氣體是冷的，背景光是像太陽光壹樣的連續光譜，我們會看到壹條暗線，因為電子吸收相同頻率的能量，跳到上能級。太陽光譜黃色部分的壹對特殊暗線是相對較冷的鈉蒸汽存在的明顯標誌。通過研究這些夫瑯和費線，我們可以得到太陽內部大氣中所有氣態元素的豐度，這就是所謂的“逆溫層”。
這些被稱為夫瑯和費線的暗線也可以提供關於運動的信息，進而間接告訴我們天體的距離。註意救護車喇叭的聲音。與靜止時相比，當汽車向我們駛來時，每秒鐘有更多的聲波進入耳朵。效果就是波長變短，所以音調聽起來越來越高。當汽車駛過，離開我們時，每秒鐘進入耳朵的聲波數量減少，波長增加，所以音調變低。奧地利科學家多普勒首先解釋了這壹現象，後來這壹現象被稱為“多普勒效應”。光也存在同樣的現象。對於接近的光源，波長的縮短使光變藍；對於正在回歸的源頭，燈變紅。這種顏色變化極其微弱，難以察覺。但是會體現在弗勞恩霍夫線上。如果所有譜線都移向紅端，也就是長波長端，那麽光源就在遠離我們。紅移越大，回歸速度越大。
現在回到太陽光譜。太陽明亮的表面，光球層，產生連續的光譜。在它上面是壹個壓力低得多的大氣層(色球層)，因此預計會產生壹個發射光譜。的確如此，但在明亮的彩虹背景下，這些譜線是“反轉”的，看起來是暗的而不是亮的。但是他們的地位和力量不受影響。太陽光譜黃色部分的兩條暗線對應的是鈉的發射線，所以我們得出結論，太陽上有鈉。