La scoperta dell'espansione dell'universo, avvenuta nel 1929 per opera dell'astronomo americano Edwin Hubble, è una delle evidenze osservative a favore della teoria del Big Bang: se lo spazio (e qualsiasi cosa contenuta in esso) si sta attualmente espandendo, in passato l'universo doveva essere molto più denso, in quanto tutta la materia ed energia che noi oggi osserviamo doveva essere concentrata in uno spazio molto più piccolo.
Però, non si deve pensare al Big Bang come a un'esplosione nel senso comune del termine: materia ed energia che volano via in ogni direzione nello spazio vuoto, a partire da un "punto" iniziale. Il Big Bang ha dato origine ... all'espansione dello spazio stesso! Dunque, si tratta di un'"esplosione" avvenuta ... contemporaneamente ovunque! Di conseguenza, non sono le galassie a muoversi in uno spazio immobile; al contrario, è lo spazio in espansione a trascinare con sé le galassie!
La teoria del Big Bang consente di spiegare un gran numero di osservazioni e perciò viene considerata un'ipotesi di lavoro attendibile; anche se presenta ancora qualche problema ed e' stata più volte messa in discussione, attualmente non vi sono valide teorie alternative.
L'Universo secondo i fisici non cominciò all'istante zero, bensì ad un istante detto "tempo di Planck", 10-43 secondi dopo il Big Bang. Prima di questo istante, esso e' completamente inaccessibile, perchè tutta la materia e l'energia che lo componevano erano così concentrate da costituire una "singolarità": uno stato estremo, nel quale lo spazio-tempo della Relatività non ha nemmeno senso, e che non fa parte della fisica che conosciamo.
Al tempo di Planck, l'Universo era caldissimo (T=1032 K) e aveva una dimensione di 10-33 cm, con un’energia media che superava i 1019 GeV. Secondo alcune ipotesi durante questa epoca l’Universo si sarebbe espanso con un immenso fattore di crescita dell’ordine di 1030. Molto probabilmente le quattro forze fondamentali della natura (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole) erano unite in un concentrato di un’unica superforza.
Successivamente (“era dei quark”)si formarono le prime particelle, i quark, dai quali nacquero poi neutroni e protoni, con le relative antiparticelle (“era degli adroni”). Materia e antimateria infatti sono sempre state presenti entrambe nell'Universo.
Dopo 10-23 secondi, l'Universo era ancora piccolissimo, delle dimensioni di un protone. Da questo momento fino a 10-6 secondi dopo il Big Bang, protoni e antiprotoni si annichilarono, cioè si fusero trasformando le intere loro masse (m) in energia elettromagnetica (E), secondo l'equazione di Einstein E=mc2. In seguito comparvero elettroni ed antielettroni, che si annichilarono anch'essi (“era dei leptoni”).
Queste annichilazioni produssero enormi quantità di energia, sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'Universo era dominato dalla radiazione e perciò questo periodo prende il nome di "era radiativa".
Ad 1 minuto di età si formarono i primi nuclei atomici (deuterio, elio e litio): la temperatura dell'Universo era scesa sotto i 10 miliardi di gradi, così i protoni e i neutroni rimasti cominciarono ad urtarsi con violenza minore e a dar luogo alle prime reazioni di fusione nucleare.
Dopo qualche migliaio di anni, l'Universo non era più dominato dalla radiazione, ma dalla materia; questa era però ancora immersa in una radiazione molto intensa ed energetica. La temperatura era ancora molto alta a quindi materia ed energia erano accoppiate, cioè si trasformavano continuamente l'una nell'altra.
Si dovette attendere fino a 300mila anni dopo il Big Bang perchè la temperatura scendesse ancora ed esse si disaccoppiassero: da quel momento l'Universo diventò trasparente alla radiazione.
Nel frattempo, gli elettroni si unirono ai nuclei per formare gli atomi.
Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la temperatura era scesa sotto i 4000 gradi; gli elettroni si combinarono con i nuclei: la materia divenne in gran parte elettricamente neutra e la sua interazione con la radiazione diventò molto meno frequente. La materia potè quindi cominciare ad aggregarsi ed in seguito si formarono le prime protogalassie: gigantesche nubi di gas freddissimo (-220oC) che dettero origine alle galassie, per collasso gravitazionale, nel miliardo di anni successivo.
Dopo circa 2-3 miliardi di anni dal Big Bang, le galassie cominciarono a riunirsi in ammassi e a 4 miliardi di anni si formarono le prime stelle.
L'Universo nel frattempo si era espanso e raffreddato, la radiazione era diventata molto meno energetica, cioè si era spostata a lunghezze d'onda maggiori: il tutto aveva cominciato ad assumere l'aspetto con il quale oggi lo conosciamo.