人類來自何方——從宇宙大爆炸到太陽、地球誕生
宇宙是如何誕生的？它怎樣形成現在這個樣子？為什麼它是人類這種生命形態的合適棲息所？這些關係我們起源的歷史激起了每個人的好奇心。
人類所有關於宇宙萬物的知識實際上來源於研究電磁輻射——光、射電波、X射線和其它形態的輻射，所有這些輻射都以30萬公里每秒的光速傳播。
觀測受到的限制是這些遙遠天體的光到達地球時非常微弱，只有用威力強大的望遠鏡和高靈敏的電子探測器才能分析它。但觀測使人類在空間上擴大視野的同時，確實在時間上讓人類回溯到過去，從而能看到宇宙過去的樣子，得出有關宇宙曾經如何演化的概念。這是觀測的巨大優點，它在很大程度上彌補了上述限制。
最基本的天文觀測現象是日夜交替。雖然這一現象的重要性要到十八世紀才被人們意識到，
根本問題起因於夜空的昏暗——一個昏暗的宇宙怎麼會充滿了明亮的恒星呢？這個問題現在稱之為奧伯斯佯謬，是以德國天文學家海因裡希·威廉·奧伯斯命名的，
現在人類知道，恒星聚集成類似人類自己的銀河系那樣的星系——宇宙之島。每個宇宙島可以包含數千億顆恒星；但上述“佯謬”可以很容易地重新加以表述來適應這種情形。人類也知道，即使宇宙並非無窮大，它也肯定足夠大，使得這個難題同樣令人困惑——如果人類今天看到的星系是宇宙中處處永久存在的。
難題的解決是直截了當的，但卻要求人們在對宇宙的看法上來一次革命。答案很簡單，恒星和星系並非永遠存在——如果願意也可以說，從宇宙誕生以來，還沒有足夠的時間把光線灑滿恒星和恒星之間的全部昏暗空間。單單是夜空的昏暗就足以告訴人類，宇宙有其確定的開端。
對於在宇宙生於一次大爆炸的思想教導下的當代人來說，這個回答看來時顯而易見的。但是，對奧伯斯佯謬的認真討論要到宇宙膨脹發現幾十年之後才出現，這個事實卻標示這這一思想具有何等的革命性。是宇宙膨脹的發現迫使天文學家放棄了宇宙永恆不變的觀念，並開始思考宇宙自身的演化問題。
宇宙膨脹是在1920年代末，當美國天文學家愛德溫·哈勃極其同事確立了星系正在彼此分開的觀測事實而被發現的。現代宇宙學實際上是隨著這一發現而發端的，而從發現宇宙膨脹到本書發表，經歷了幾乎正好整整一代人的一生，就是俗話所稱的“古稀之年”的七十歲。七十年前，宇宙永恆不變的思想曾經是“顯而易見”的科學真理，它是那樣的無可懷疑，以致于當阿爾伯特·愛因斯坦開始發展其廣義相對論並發現最簡單形式的方程式要求宇宙膨脹時，他給方程式增加了一個附加項以維持宇宙靜止。後來愛因斯坦把這說成是他科學生涯中“最大的失誤”。
從所有這些得出的教訓，並不是人類比七十年前的天文學家更聰明和更具洞察力，而是，如果連愛因斯坦都犯下那樣的宇宙學失誤，其他人就更應該小心，不要根據表面現象認為人類對宇宙已經知道得很多了。人類看來顯而易見和經驗的東西，再過七十年就可能像宇宙永恆不變的掛念那樣成為過時的笑柄。但這並不是說，人類不應認真看待當前有關宇宙及其起源的認識。恒星和星系以及宇宙的結構今天已經瞭解得很清楚了，問題是將人類對宇宙的正確理解推廣到宇宙的多大範圍（以及在時間上能回溯多遠），而推測將在何處（以及在何時）開始起主要租用。這個界限應該是在很久很久以前、在比人類能夠猜想的更為極端的條件之下。
如果星系正在互相離開，那麼必然意味著它們以前彼此靠得比較近。關於膨脹宇宙的很重要的一點是，星系並不想炸彈爆炸後的碎片那樣在空間穿行，而是空間本身在伸展而帶動了星系（這就是廣西相對論的預言，但這一開始曾被愛因斯坦拒絕接受）。很久以前，在現在已經成為星系的東西之間是沒有空間的，星系必定是彼此重疊的；在那之前，在現在已經成為恒星的東西之間是沒有空間的，恒星必定是彼此接觸；而在那之前，一定出現過原子之間沒有空間的時期，原子彼此融合在一起。
天文學家對恒星和星系瞭解很多，物理學家對原子也瞭解很多，天體物理學家能夠毫不困難地描述物質和輻射濃湯的性狀，它是如此濃密，以致於其中個別原子彼此併合，原子的外層電子已被驅逐，暴露出原子心臟部分的核。這樣一種核子和電子混合成的濃湯，加上輻射，稱為等離子體。但這還不是人類對極端條件下的物質和輻射的全面理解的極限。確實，在粒子加速器實驗室（像日內瓦歐洲核子研究中心或芝加哥費密實驗室）進行的實驗，提供了洞察原子核自身以及構成原子核的質子和中子的行為的線索、物理學家解釋並以令人信服的證據支持其宣告，他們甚至懂得了物質緻密到核子本身都緊靠在一起並且分裂成它們的組成部分時的極端條件下，物質、空間、時間和能量的表現。
物理學家還做出了更加大膽的宣告，它們懂得了比這還遠為極端的條件下將會發生的事情，不過這些並非總是得到可靠的證據的支持。到這一步，推測開始在他們的宇宙學思想中起作用了，這種作用開始時是適度的，隨著他們的思考更加極端的條件而變得重要起來。人類瞭解原子核、質子和中子，因為所有這些事物存在今天的宇宙之中，並能在各種不同類型的試驗中直接加以研究。所以，當物理學家宣傳他們真的能說出整個宇宙像今天的原子核那樣緻密時發生的事情，並且說出宇宙怎樣從這種熱而緻密的狀態（宇宙大爆炸本身）演變陳哥人類今天所見的星系、恒星、行星和人類的集合體時，人們表示相信就並非過於脫離現實了。確實，很多物理學家會認為，人類的眼光如此短淺，人類聲稱對宇宙的真正正確理解只是從具有核子密度的時期延續到今天，這在二十世紀九十年代後半段，是過去謹慎保守了。
如果將宇宙的當前膨脹進行“回溯”，那就意味著宇宙的一切——空間、時間、物質和能量——是在大約150億年前從一個密度無窮大而體積幾乎為零的點（奇點）顯露出來的。確切的時間未知，因為宇宙膨脹的細節是難以測量和解釋的。但這並不重要，重要的是，膨脹表面，大約略早于或略遲於150億年前存在過超密狀態，這種超密狀態在極端條件下看來是從一個奇點開始的。所有這些都得到了廣義相對論方程式的支援——但沒人相信實際發生的情況與這一模一樣；量子物理學效應在接近奇點時應該居於統治地位，並且保證了這個假想的數學點通過某種叫做量子測不准的過程而實際上被抹掉。
z愛靠近奇點的地方究竟發生了什麼以及量子如何導致了大爆炸，這個問題是當前宇宙學思考中的最重大問題之一，而為了回答這個問題所做的嘗試則構成了今天宇宙學中的大量研究的基礎。人類從日常事務物理性質得到的無安全堅實可靠的知識仍然能夠應用的最早時刻和地點，是在起點代表的時刻——有時叫做“創造時刻”或“宇宙創生”——之後萬分之一秒（0.0001秒）的時候發生的。天體物理學家覺得已掌握了所涉及的科學的全部，因而完全自信地談論最初萬分之一秒後的發生的每件事；描述宇宙隨後的演化時所遺留下來的不確定性不過是人類對宇宙的不完美的觀察，以及人類應用已經物理定律描述複雜系統的能力不完美的表現。在那之前，返回到創造時刻為止的那段時間仍然部分地是一個謎，這不僅僅是因為人類應用物理定律的能力不完美，而且也因為人類並不確切知道在那種極端條件下運行的物理定律是什麼。
但按照日常標準，存在于創造時刻之後萬分之一秒時的條件是足夠極端的了。在那時，宇宙的密度是10的14次方克每立方釐米（誰密度的100萬億倍），溫度是絕對零度之上1萬億度（10的12次方K，對於如此大的數值，它基本上等於10的12次方攝氏度），而宇宙是由一個熱輻射的火球組成。
在這樣的極端條件下，單個的粒子，如質子、中子和電子，很難獨立存在。火球輻射的單個光子（光的粒子）在那樣高的溫度下鞋帶這極大的能量，以致於他們能夠按照愛因斯坦的質能方程（能量等於品質乘以光速的平方），以能量換取品質，將它們自己轉化為粒子對。由這種方式生成的一對粒子幾乎總是由一個常見的粒子（比如質子），和一個與它對應的反物質粒子（在所舉例子中為反粒子）所組成。當一個粒子與一個等價的反粒子相遇時，這一對粒子就湮滅，並以輻射的形式交還構成它們的能量。在大爆炸中，輻射不斷地轉化為物質，物質也不斷地轉化為輻射，形成一種沸騰動盪的活動場面。
但隨著宇宙火球的膨脹和冷卻，火球中的個別光子擁有的能量越來越少。很快，它們就不再有足夠的能量來製造質子和中子了。如果由輻射到“物質反物質對兒”的轉化一直是精確的，那就應該意味著，冷卻下來的宇宙應該含有完全相同數量的質子和反質子，也有完全相同數量的中子和反中子。在那樣的極端條件下，用不了多久，每個例子都該碰上它的反粒子伴侶而湮滅，給冷卻的宇宙留下來的除輻射外沒有任何東西。但是，由於物理定律的微小不平衡（其重要性在1960年代首先被蘇聯物理學家安德列·薩哈羅夫正確認識），在這一過程的結尾，竟有少量多餘的人類由之構成的那種物質存留下來——宇宙火球剩餘輻射中每10億個光子會多出一個普通粒子。人類今天看到的宇宙中所有東西就是用大爆炸火球中通過這種方式加工出來的十億分之一的例子（質子+中子）製造的。
到創造時刻之後百分之一秒的時候，事情稍稍平靜一些了。溫度下降到開氏1000億度（10的11次方K），質子和中子儘管仍然受到它們游泳其中的濃密的光子海洋的衝擊，卻不再能夠從輻射中生產出來的了。開始時，中子的數目與質子的數目相等，但與質子不同的是，中子是不穩定的粒子，每個中子（通過叫做放射衰變的過程）自發地放出一個電子而把自己變成質子。今天，這個過程與宇宙年齡不到一秒鐘時宇宙中的變化相比是緩慢的。平均來說，一個孤立的中子將需要經歷十多分鐘才會發生這種衰變。但是，中子在宇宙火球中受到的衝擊將會助長這種變化。所以，當宇宙的溫度降到開氏300億度時，正好是在創造時刻之後十分之一秒，中子對質子的比就從50比50降到了38比62。到宇宙冷卻至開氏100億度，即創造時刻之後1.1秒時，密度降到了水密度的38萬倍，此時每76個質子才會有24個中子。但是，和人類大多數人一樣，當宇宙變老時，它也變得行動遲緩，變化也不那麼敏捷了。終於，早期宇宙中快速變化的步伐減慢到了可用幾秒而不是幾分之一秒的時間來量度的程度了。
13.8秒以後，溫度降到開氏30億度，連續衝擊中子的能量相應減少，中子轉變成質子的速率也就急劇降低。此時宇宙中每83個質子仍然有17個中子；當一個單獨的質子與一個單獨的中子臨時粘到一起，在它們被碰撞分開之前，火球總就偶爾形成了同位素氘（重氫）的核。正好在創造時刻之後3分零2秒時，整個宇宙的溫度降到了只有開氏10億度，這大約是今天太陽中心部分溫度（約開氏1500萬度）的70倍。而每86個質子仍有14個中子。到這時，宇宙已經很老了，中子的自然衰變開始起重要作用。雖然一個自由中子的平均壽命長於10分鐘，但性對於平均壽命而言，有些中子存活時間稍長，有些則衰變較快。從現在起，每過100秒，10個剩餘的自由中子中就有1個自發地轉變為質子。但中子逃脫了被消滅的命運，因為正是在宇宙進入其生命剛剛超過3分鐘的這個時刻，條件已經寬鬆到中子開始與質子結合而形成穩定的核，開始時是氘，然後是氦。核子相互之間以及與其它粒子之間仍在發生碰撞，但這時溫度如此低，以致於這些碰撞的能量已經不足以打碎核子。留存下來的中子（每87個質子大約有13個中子）幾乎立刻就被禁錮在氦-4核內，每個氦-4核含有兩個中子和兩個質子。轉變成氦的中子和質子的總品質的份額正好是中子數目份額的兩倍，即26%，而這個過程到創造時刻之後3分46秒時就完成了。
以上關於宇宙創生的描述中出現的具體數字是將廣義相對論與地面實驗得到的關於粒子（比如中子和質子）及原子核性狀的已知事實相結合推算出來的。這種結合造就了宇宙學的所謂“標準模型”，它的偉大功績之一就是預言了宇宙最早形成的每顆恒星（今天看到的最年老的恒星）的26%的品質應該是氦的形態。這與用光譜學方法觀測到的老年恒星中氦的實際數量準確符合。標準模型的另一個偉大預言是，宇宙應該充滿了火球遺留下來的大量輻射。當創造時刻之後不到4分鐘氦開始形成的時候，這一輻射的溫度約為開氏10億度，到150億年以後的今天應該已經逐漸冷卻到3K以下（正好低於-27攝氏度）。1960年代發現的宇宙微波背景輻射準確地與大爆炸理論的預言相符。
膨脹的宇宙中一旦形成了氦，導致形成星系、恒星、行星和人鱷梨的那些過程看來就不可避免地開始了。浙西而國產的某些機械仍然不太清楚，這部分是由於它們代表著越來越複雜的現象——宇宙學最不可思議的方面之一就是，人類對大爆炸火球瞭解得很多，是因為這是一個按照人類瞭解得非常透徹的詳細物理定律運轉的很簡單的場所，它涉及很少幾種簡單的粒子如質子、中子和電子。一旦要同原子核打交道，就要研究更複雜的事物；原子本身按照化學的規律相互作用，產生另一層次的複雜性；而生命本身則又涉及極端複雜的化學現象，以及原子和分子的某些複雜構造物（比如人類）與它們的實際環境相互作用的方式。對於越來越複雜的系統，人類瞭解得仍然很少。
直到今天的宇宙歷史中不確定性的另一來源關係到宇宙中的暗物質的數量和本質。顯然，宇宙中並非所有東西都取人類能用望遠鏡看見的明亮恒星的形態。確實，有可靠的證據說明，產生於宇宙火球的暗物質比質子和中子這種形成恒星、星系、行星和人類的核物質多數十倍。這種暗物質的影響可以從它對可見物質施加的引力看來出。沒有暗物質，核物質應該已經隨著宇宙的膨脹而擴散得更加稀薄，根本不可能聚集起來形成恒星和星系；多虧暗物質的引力的影響，人類才得以存在。
人類是如何產生的這個問題，可追溯到大約在大爆炸之後的30萬年的時候，那時的宇宙仍然是一團滾熱的濃湯，其溫度大約是5000K，這比今天太陽表面的溫度稍低。宇宙的核物質主要是穿行於電子和暗物質海洋中的個別質子（氫原子核）和氦核。知道這個時刻之前，熱核試圖抓住一或兩個電子以形成一個原子的核，都會很快與一個高能光子碰撞，後者將把它的電子剝去。由於每個核帶有正電荷，每個電子帶有負電荷，而光子又喜歡同帶電粒子相互作用，這就意味著宇宙充滿了與光子相互作用的帶電粒子，從而使宇宙處於不透明的狀態。光子傳播不了多遠就會與帶電粒子相遇、反彈從而走出一條古怪的曲折之路，就像瘋狂的宇宙彈子機中的球一樣。
然後，從宇宙學標準來看十分突然地，隨著溫度的降低，光子不再具備足夠的能量來破壞試圖形成的原子。每個質子俘獲一個電子，每個氦核俘獲兩個電子，於是所有帶電粒子被禁錮在電中性的原子之中。不再有帶電粒子使光子反彈，光子便基本不受阻礙地通過原子周圍的空間，仿佛一夜功夫宇宙就變得透明了。正是大爆炸後幾十萬的那個時候的輻射，靜悄悄地透明空間中流動至今，這就是人類今天探測到的背景輻射。
當原子形成時，它們已經聚集成巨大的物質流和膜，其密度高於平均值，並在宇宙中暗物質的引力作用下靠攏在一起。在以這種方式形成的巨大原子物質膜內部，儘管宇宙作為整體繼續膨脹，大量的氣體被引力拉到一起而形成圍繞著原子物質空洞的膜。隨著引力將氣體聚集成更薄的膜，膜中形成了團塊並依次收縮，破裂成更小的碎片，後者再依次收縮、碎裂（實際上並非真正一個接一個意義上的‘依次’；碎裂和坍縮在所有層次上都是同時進行的）。這樣形成的最小碎片變成了居留在星系內部的恒星，星系則居留與超星系團內部的星系團之中。超星系團構成鏈條、纖維和膜狀的發光物，使得可見物質像泡沫般隨意分佈在黯黑的宇宙空間中。
只有在好幾代恒星以這種方式形成並走完生命歷程之後，才有可能形成太陽這樣的恒星和地球這樣的行星。首批恒星僅僅含有氫和氦。較重的元素，包括對人類所知的生命形態十分重要的碳、氧、氮的原子，是在恒星內部經由核聚變製造出來的，當首批恒星中的大品質、短壽命恒星在其生命完結時發生爆發的時候，這些元素就被擴散到年輕星系的巨大區域中。
太陽是在晚得多的僅僅大約50億年前由這種恒星爆發的碎片形成的。誕生了太陽的特定坍縮氣體雲大概含有足夠製造幾百顆恒星的物質。當碎裂的雲坍縮時，這些恒星就一起形成了，不過從那以後經過了它們各自的道路，那個雲中的一個物質團塊含有比現在的太陽稍多的品質，當團塊在自身引力作用下坍縮時，大多數物質形成了一個熱氣體球，另一些則形成了圍繞胚胎期恒星的物質環。年輕恒星的熱量吹散了環中許多較輕的原子，留下一個由微小塵粒構成的系統，塵粒逐漸粘到一起，聚集成團而形成行星。以後，由於生命出現並在至少一個這樣的行星（比如地球）表面上進化，以後的發展就涉及到地球物理學和生物學，而不是宇宙學和天體演化學了。
每個宇宙島可以包含數千億顆恒星；但上述“佯謬”可以很容易地重新加以表述來適應這種情形。人類也知道，即使宇宙並非無窮大，它也肯定足夠大，使得這個難題同樣令人困惑——如果人類今天看到的星系是宇宙中處處永久存在的。難題的解決是直截了當的，但卻要求人們在對宇宙的看法上來一次革命。答案很簡單，恒星和星系並非永遠存在——如果願意也可以說，從宇宙誕生以來，還沒有足夠的時間把光線灑滿恒星和恒星之間的全部昏暗空間。單單是夜空的昏暗就足以告訴人類，宇宙有其確定的開端。
對於在宇宙生於一次大爆炸的思想教導下的當代人來說，這個回答看來時顯而易見的。但是，對奧伯斯佯謬的認真討論要到宇宙膨脹發現幾十年之後才出現，這個事實卻標示這這一思想具有何等的革命性。是宇宙膨脹的發現迫使天文學家放棄了宇宙永恆不變的觀念，並開始思考宇宙自身的演化問題。
宇宙膨脹是在1920年代末，當美國天文學家愛德溫·哈勃極其同事確立了星系正在彼此分開的觀測事實而被發現的。現代宇宙學實際上是隨著這一發現而發端的，而從發現宇宙膨脹到本書發表，經歷了幾乎正好整整一代人的一生，就是俗話所稱的“古稀之年”的七十歲。七十年前，宇宙永恆不變的思想曾經是“顯而易見”的科學真理，它是那樣的無可懷疑，以致于當阿爾伯特·愛因斯坦開始發展其廣義相對論並發現最簡單形式的方程式要求宇宙膨脹時，他給方程式增加了一個附加項以維持宇宙靜止。後來愛因斯坦把這說成是他科學生涯中“最大的失誤”。
從所有這些得出的教訓，並不是人類比七十年前的天文學家更聰明和更具洞察力，而是，如果連愛因斯坦都犯下那樣的宇宙學失誤，其他人就更應該小心，不要根據表面現象認為人類對宇宙已經知道得很多了。人類看來顯而易見和經驗的東西，再過七十年就可能像宇宙永恆不變的掛念那樣成為過時的笑柄。但這並不是說，人類不應認真看待當前有關宇宙及其起源的認識。恒星和星系以及宇宙的結構今天已經瞭解得很清楚了，問題是將人類對宇宙的正確理解推廣到宇宙的多大範圍（以及在時間上能回溯多遠），而推測將在何處（以及在何時）開始起主要租用。這個界限應該是在很久很久以前、在比人類能夠猜想的更為極端的條件之下。
如果星系正在互相離開，那麼必然意味著它們以前彼此靠得比較近。關於膨脹宇宙的很重要的一點是，星系並不想炸彈爆炸後的碎片那樣在空間穿行，而是空間本身在伸展而帶動了星系（這就是廣西相對論的預言，但這一開始曾被愛因斯坦拒絕接受）。很久以前，在現在已經成為星系的東西之間是沒有空間的，星系必定是彼此重疊的；在那之前，在現在已經成為恒星的東西之間是沒有空間的，恒星必定是彼此接觸；而在那之前，一定出現過原子之間沒有空間的時期，原子彼此融合在一起。
天文學家對恒星和星系瞭解很多，物理學家對原子也瞭解很多，天體物理學家能夠毫不困難地描述物質和輻射濃湯的性狀，它是如此濃密，以致於其中個別原子彼此併合，原子的外層電子已被驅逐，暴露出原子心臟部分的核。這樣一種核子和電子混合成的濃湯，加上輻射，稱為等離子體。但這還不是人類對極端條件下的物質和輻射的全面理解的極限。確實，在粒子加速器實驗室（像日內瓦歐洲核子研究中心或芝加哥費密實驗室）進行的實驗，提供了洞察原子核自身以及構成原子核的質子和中子的行為的線索、物理學家解釋並以令人信服的證據支持其宣告，他們甚至懂得了物質緻密到核子本身都緊靠在一起並且分裂成它們的組成部分時的極端條件下，物質、空間、時間和能量的表現。
物理學家還做出了更加大膽的宣告，它們懂得了比這還遠為極端的條件下將會發生的事情，不過這些並非總是得到可靠的證據的支持。到這一步，推測開始在他們的宇宙學思想中起作用了，這種作用開始時是適度的，隨著他們的思考更加極端的條件而變得重要起來。人類瞭解原子核、質子和中子，因為所有這些事物存在今天的宇宙之中，並能在各種不同類型的試驗中直接加以研究。所以，當物理學家宣傳他們真的能說出整個宇宙像今天的原子核那樣緻密時發生的事情，並且說出宇宙怎樣從這種熱而緻密的狀態（宇宙大爆炸本身）演變陳哥人類今天所見的星系、恒星、行星和人類的集合體時，人們表示相信就並非過於脫離現實了。確實，很多物理學家會認為，人類的眼光如此短淺，人類聲稱對宇宙的真正正確理解只是從具有核子密度的時期延續到今天，這在二十世紀九十年代後半段，是過去謹慎保守了。
如果將宇宙的當前膨脹進行“回溯”，那就意味著宇宙的一切——空間、時間、物質和能量——是在大約150億年前從一個密度無窮大而體積幾乎為零的點（奇點）顯露出來的。確切的時間未知，因為宇宙膨脹的細節是難以測量和解釋的。但這並不重要，重要的是，膨脹表面，大約略早于或略遲於150億年前存在過超密狀態，這種超密狀態在極端條件下看來是從一個奇點開始的。所有這些都得到了廣義相對論方程式的支援——但沒人相信實際發生的情況與這一模一樣；量子物理學效應在接近奇點時應該居於統治地位，並且保證了這個假想的數學點通過某種叫做量子測不准的過程而實際上被抹掉。
z愛靠近奇點的地方究竟發生了什麼以及量子如何導致了大爆炸，這個問題是當前宇宙學思考中的最重大問題之一，而為了回答這個問題所做的嘗試則構成了今天宇宙學中的大量研究的基礎。人類從日常事務物理性質得到的無安全堅實可靠的知識仍然能夠應用的最早時刻和地點，是在起點代表的時刻——有時叫做“創造時刻”或“宇宙創生”——之後萬分之一秒（0.0001秒）的時候發生的。天體物理學家覺得已掌握了所涉及的科學的全部，因而完全自信地談論最初萬分之一秒後的發生的每件事；描述宇宙隨後的演化時所遺留下來的不確定性不過是人類對宇宙的不完美的觀察，以及人類應用已經物理定律描述複雜系統的能力不完美的表現。在那之前，返回到創造時刻為止的那段時間仍然部分地是一個謎，這不僅僅是因為人類應用物理定律的能力不完美，而且也因為人類並不確切知道在那種極端條件下運行的物理定律是什麼。
但按照日常標準，存在于創造時刻之後萬分之一秒時的條件是足夠極端的了。在那時，宇宙的密度是10的14次方克每立方釐米（誰密度的100萬億倍），溫度是絕對零度之上1萬億度（10的12次方K，對於如此大的數值，它基本上等於10的12次方攝氏度），而宇宙是由一個熱輻射的火球組成。
在這樣的極端條件下，單個的粒子，如質子、中子和電子，很難獨立存在。火球輻射的單個光子（光的粒子）在那樣高的溫度下鞋帶這極大的能量，以致於他們能夠按照愛因斯坦的質能方程（能量等於品質乘以光速的平方），以能量換取品質，將它們自己轉化為粒子對。由這種方式生成的一對粒子幾乎總是由一個常見的粒子（比如質子），和一個與它對應的反物質粒子（在所舉例子中為反粒子）所組成。當一個粒子與一個等價的反粒子相遇時，這一對粒子就湮滅，並以輻射的形式交還構成它們的能量。在大爆炸中，輻射不斷地轉化為物質，物質也不斷地轉化為輻射，形成一種沸騰動盪的活動場面。
但隨著宇宙火球的膨脹和冷卻，火球中的個別光子擁有的能量越來越少。很快，它們就不再有足夠的能量來製造質子和中子了。如果由輻射到“物質反物質對兒”的轉化一直是精確的，那就應該意味著，冷卻下來的宇宙應該含有完全相同數量的質子和反質子，也有完全相同數量的中子和反中子。在那樣的極端條件下，用不了多久，每個例子都該碰上它的反粒子伴侶而湮滅，給冷卻的宇宙留下來的除輻射外沒有任何東西。但是，由於物理定律的微小不平衡（其重要性在1960年代首先被蘇聯物理學家安德列·薩哈羅夫正確認識），在這一過程的結尾，竟有少量多餘的人類由之構成的那種物質存留下來——宇宙火球剩餘輻射中每10億個光子會多出一個普通粒子。人類今天看到的宇宙中所有東西就是用大爆炸火球中通過這種方式加工出來的十億分之一的例子（質子+中子）製造的。
到創造時刻之後百分之一秒的時候，事情稍稍平靜一些了。溫度下降到開氏1000億度（10的11次方K），質子和中子儘管仍然受到它們游泳其中的濃密的光子海洋的衝擊，卻不再能夠從輻射中生產出來的了。開始時，中子的數目與質子的數目相等，但與質子不同的是，中子是不穩定的粒子，每個中子（通過叫做放射衰變的過程）自發地放出一個電子而把自己變成質子。今天，這個過程與宇宙年齡不到一秒鐘時宇宙中的變化相比是緩慢的。平均來說，一個孤立的中子將需要經歷十多分鐘才會發生這種衰變。但是，中子在宇宙火球中受到的衝擊將會助長這種變化。所以，當宇宙的溫度降到開氏300億度時，正好是在創造時刻之後十分之一秒，中子對質子的比就從50比50降到了38比62。到宇宙冷卻至開氏100億度，即創造時刻之後1.1秒時，密度降到了水密度的38萬倍，此時每76個質子才會有24個中子。但是，和人類大多數人一樣，當宇宙變老時，它也變得行動遲緩，變化也不那麼敏捷了。終於，早期宇宙中快速變化的步伐減慢到了可用幾秒而不是幾分之一秒的時間來量度的程度了。
13.8秒以後，溫度降到開氏30億度，連續衝擊中子的能量相應減少，中子轉變成質子的速率也就急劇降低。此時宇宙中每83個質子仍然有17個中子；當一個單獨的質子與一個單獨的中子臨時粘到一起，在它們被碰撞分開之前，火球總就偶爾形成了同位素氘（重氫）的核。正好在創造時刻之後3分零2秒時，整個宇宙的溫度降到了只有開氏10億度，這大約是今天太陽中心部分溫度（約開氏1500萬度）的70倍。而每86個質子仍有14個中子。到這時，宇宙已經很老了，中子的自然衰變開始起重要作用。雖然一個自由中子的平均壽命長於10分鐘，但性對於平均壽命而言，有些中子存活時間稍長，有些則衰變較快。從現在起，每過100秒，10個剩餘的自由中子中就有1個自發地轉變為質子。但中子逃脫了被消滅的命運，因為正是在宇宙進入其生命剛剛超過3分鐘的這個時刻，條件已經寬鬆到中子開始與質子結合而形成穩定的核，開始時是氘，然後是氦。核子相互之間以及與其它粒子之間仍在發生碰撞，但這時溫度如此低，以致於這些碰撞的能量已經不足以打碎核子。留存下來的中子（每87個質子大約有13個中子）幾乎立刻就被禁錮在氦-4核內，每個氦-4核含有兩個中子和兩個質子。轉變成氦的中子和質子的總品質的份額正好是中子數目份額的兩倍，即26%，而這個過程到創造時刻之後3分46秒時就完成了。
以上關於宇宙創生的描述中出現的具體數字是將廣義相對論與地面實驗得到的關於粒子（比如中子和質子）及原子核性狀的已知事實相結合推算出來的。這種結合造就了宇宙學的所謂“標準模型”，它的偉大功績之一就是預言了宇宙最早形成的每顆恒星（今天看到的最年老的恒星）的26%的品質應該是氦的形態。這與用光譜學方法觀測到的老年恒星中氦的實際數量準確符合。標準模型的另一個偉大預言是，宇宙應該充滿了火球遺留下來的大量輻射。當創造時刻之後不到4分鐘氦開始形成的時候，這一輻射的溫度約為開氏10億度，到150億年以後的今天應該已經逐漸冷卻到3K以下（正好低於-27攝氏度）。1960年代發現的宇宙微波背景輻射準確地與大爆炸理論的預言相符。
膨脹的宇宙中一旦形成了氦，導致形成星系、恒星、行星和人鱷梨的那些過程看來就不可避免地開始了。浙西而國產的某些機械仍然不太清楚，這部分是由於它們代表著越來越複雜的現象——宇宙學最不可思議的方面之一就是，人類對大爆炸火球瞭解得很多，是因為這是一個按照人類瞭解得非常透徹的詳細物理定律運轉的很簡單的場所，它涉及很少幾種簡單的粒子如質子、中子和電子。一旦要同原子核打交道，就要研究更複雜的事物；原子本身按照化學的規律相互作用，產生另一層次的複雜性；而生命本身則又涉及極端複雜的化學現象，以及原子和分子的某些複雜構造物（比如人類）與它們的實際環境相互作用的方式。對於越來越複雜的系統，人類瞭解得仍然很少。
直到今天的宇宙歷史中不確定性的另一來源關係到宇宙中的暗物質的數量和本質。顯然，宇宙中並非所有東西都取人類能用望遠鏡看見的明亮恒星的形態。確實，有可靠的證據說明，產生於宇宙火球的暗物質比質子和中子這種形成恒星、星系、行星和人類的核物質多數十倍。這種暗物質的影響可以從它對可見物質施加的引力看來出。沒有暗物質，核物質應該已經隨著宇宙的膨脹而擴散得更加稀薄，根本不可能聚集起來形成恒星和星系；多虧暗物質的引力的影響，人類才得以存在。
人類是如何產生的這個問題，可追溯到大約在大爆炸之後的30萬年的時候，那時的宇宙仍然是一團滾熱的濃湯，其溫度大約是5000K，這比今天太陽表面的溫度稍低。宇宙的核物質主要是穿行於電子和暗物質海洋中的個別質子（氫原子核）和氦核。知道這個時刻之前，熱核試圖抓住一或兩個電子以形成一個原子的核，都會很快與一個高能光子碰撞，後者將把它的電子剝去。由於每個核帶有正電荷，每個電子帶有負電荷，而光子又喜歡同帶電粒子相互作用，這就意味著宇宙充滿了與光子相互作用的帶電粒子，從而使宇宙處於不透明的狀態。光子傳播不了多遠就會與帶電粒子相遇、反彈從而走出一條古怪的曲折之路，就像瘋狂的宇宙彈子機中的球一樣。
然後，從宇宙學標準來看十分突然地，隨著溫度的降低，光子不再具備足夠的能量來破壞試圖形成的原子。每個質子俘獲一個電子，每個氦核俘獲兩個電子，於是所有帶電粒子被禁錮在電中性的原子之中。不再有帶電粒子使光子反彈，光子便基本不受阻礙地通過原子周圍的空間，仿佛一夜功夫宇宙就變得透明了。正是大爆炸後幾十萬的那個時候的輻射，靜悄悄地透明空間中流動至今，這就是人類今天探測到的背景輻射。
當原子形成時，它們已經聚集成巨大的物質流和膜，其密度高於平均值，並在宇宙中暗物質的引力作用下靠攏在一起。在以這種方式形成的巨大原子物質膜內部，儘管宇宙作為整體繼續膨脹，大量的氣體被引力拉到一起而形成圍繞著原子物質空洞的膜。隨著引力將氣體聚集成更薄的膜，膜中形成了團塊並依次收縮，破裂成更小的碎片，後者再依次收縮、碎裂（實際上並非真正一個接一個意義上的‘依次’；碎裂和坍縮在所有層次上都是同時進行的）。這樣形成的最小碎片變成了居留在星系內部的恒星，星系則居留與超星系團內部的星系團之中。超星系團構成鏈條、纖維和膜狀的發光物，使得可見物質像泡沫般隨意分佈在黯黑的宇宙空間中。
只有在好幾代恒星以這種方式形成並走完生命歷程之後，才有可能形成太陽這樣的恒星和地球這樣的行星。首批恒星僅僅含有氫和氦。較重的元素，包括對人類所知的生命形態十分重要的碳、氧、氮的原子，是在恒星內部經由核聚變製造出來的，當首批恒星中的大品質、短壽命恒星在其生命完結時發生爆發的時候，這些元素就被擴散到年輕星系的巨大區域中。
太陽是在晚得多的僅僅大約50億年前由這種恒星爆發的碎片形成的。誕生了太陽的特定坍縮氣體雲大概含有足夠製造幾百顆恒星的物質。當碎裂的雲坍縮時，這些恒星就一起形成了，不過從那以後經過了它們各自的道路，那個雲中的一個物質團塊含有比現在的太陽稍多的品質，當團塊在自身引力作用下坍縮時，大多數物質形成了一個熱氣體球，另一些則形成了圍繞胚胎期恒星的物質環。年輕恒星的熱量吹散了環中許多較輕的原子，留下一個由微小塵粒構成的系統，塵粒逐漸粘到一起，聚集成團而形成行星。以後，由於生命出現並在至少一個這樣的行星（比如地球）表面上進化，以後的發展就涉及到地球物理學和生物學，而不是宇宙學和天體演化學了。