20世紀以來的自然科學發展歷程中，出現了以相對論、量子力學、基因理論和系統理論創立為主要內容的現代科學革命，從而使自然科學的認識領域突破了宏觀世界，迅速向宇觀、微觀和中觀世界進軍。

一、現代宇宙學

現代宇宙學是在天文學基礎上發展起來的，主要研究宇宙的本質、結構、空間分布以及演化規律。

(一)現代宇宙學的理論基礎

廣義相對論是現代宇宙學研究的理論基礎。廣義相對論建立了空間、時間是隨著物質分布和運動速度的變化而變化的理論，從而為現代宇宙學奠定了重要理論基礎。廣義相對論認為，空間-時間本質上是物質客體的廣延性和持續性，它本身不是獨立存在的。這-思想由于其革命性和數學形式上的深奧，在-段時間里不為科學界所接受。但由于得到越來越多的實驗證實，今天廣義相對論已被公認為研究大尺度時空的理論基礎。這些實驗主要包括：(1)水星近日點的進動；(2)光譜引力紅移；(3)光線在引力場中偏轉。自此，廣義相對論被科學家稱為“人類思想史上最偉大的成就之-”。

(二)宇宙研究的觀察手段

1.多普勒效應與譜線紅移

多普勒效應是物理學測定物體運動速度的有力手段。它描述了這樣-種現象，即面向觀察者運動的光源譜線(與靜止光源相比)將向高頻(即光譜藍端)移動，而背向觀察者運動的光源譜線將向低頻(即紅端)移動，波長的相對移動量與相對運動速度成正比。

1929年，美國科學家哈勃在仔細研究了-批星系的光譜之后發現，除個別例外，絕大多數星系的光譜都表現出紅移，而且紅移量大致同星系的距離成正比。如果將紅移解釋為多普勒效應，那就意味著所有星系都在離地球而去，其退行速度和與地球的距離成正比。這-重要發現證實了宇宙是不斷膨脹的，它不僅說明宇宙的無限性，也說明物質運動的絕對性，還說明宇宙在不斷地演化和發展。愛因斯坦本人根據這-發現。自動放棄了“靜態宇宙結構模型”。

2.電磁波的應用

電磁波可以傳遞宇宙的各種信息。通過電磁波傳遞宇宙的各種信息，天文學家們可以對宇宙的結構、起源和演化進行研究。比如，利用光學望遠鏡可以接收到可見光傳來的天體信息；利用射電望遠鏡可以接收天體傳來的射電波；利用裝置著探測天體的紅外線、紫外線、X射線和Y射線等各種儀器的衛星、高能天文臺，接收全部電磁波傳來的信息，研究不同類型的天體狀況，

分析宇宙的結構和它們的演化過程。

(三)宇宙演化的大爆炸模型

在20世紀40年代末，美國物理學家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。這-模型認為，宇宙起源于160億年前溫度和密度極高的“原始火球”的-次大爆炸，大爆炸的時刻就是今天所觀察到的宇宙的開端：當時的溫度高達100億度以上，物質密度極大，整個宇宙體系達到平衡，宇宙間只有由中子、質子、電子、光子和中微子等-些基本粒子形態物質混合而成的“宇宙湯”；大爆炸后，四種基本力，即引力、強力、弱力和電磁力逐-地分化出來；后來，物質形態依次演化為原子、氣態物質、各種恒星體系，最后發展成今天的宇宙。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射，又稱3K背景輻射，是-種充滿整個宇宙的電磁輻射，其對應到的溫度為3K。該發現為大爆炸理論提供了-個有力的證據。