Около четырёх тысяч лет назад вавилоняне были опытными астрономами, способными с высокой точностью предсказывать видимые движения Луны, звёзд, планет и Солнца на небесной сфере. Они даже умели вычислять солнечные и лунные затмения. Однако первой цивилизацией, которая попыталась интерпретировать эти наблюдения в виде теоретической модели, стали древние греки.
В IV веке нашей эры сформировалось представление о том, что звёзды расположены на гигантской небесной сфере, вращающейся вокруг сферической Земли каждые 24 часа, а планеты, Солнце и Луна движутся в особой среде — эфире — между Землёй и звёздами. Эта модель развивалась в последующие столетия и достигла своего апогея во II веке в грандиозной геоцентрической системе Клавдия Птолемея.
Согласно Птолемею, небесные движения должны быть совершенными, а совершенство возможно лишь в форме кругового движения. Поэтому звёзды и планеты рассматривались как небесные тела, движущиеся по круговым траекториям. Однако для объяснения сложного движения планет, которые периодически казались движущимися в обратном направлении, пришлось ввести дополнительные круговые движения — эпициклы. Таким образом, планеты описывались как движущиеся по сложным круговым путям вокруг неподвижной Земли.
Несмотря на свою сложность, система Птолемея чрезвычайно точно описывала видимые движения планет. Именно поэтому, когда в XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему, она по наблюдательной точности не превосходила птолемеевскую модель. Коперник утверждал, что Земля вращается вокруг своей оси и вместе с другими планетами движется по круговой орбите вокруг Солнца. Однако имеющиеся на тот момент наблюдательные данные по-прежнему поддерживали геоцентрическую картину мира.
Существовали и другие практические причины неприятия теории Коперника. Один из величайших астрономов XVI века Тихо Браге понимал, что если Земля действительно движется вокруг Солнца, то относительные положения звёзд должны изменяться при наблюдении с разных точек земной орбиты. Это явление называется параллаксом. Однако в то время не существовало никаких наблюдательных доказательств звёздного параллакса. Это приводило к двум возможным выводам: либо Земля неподвижна, либо звёзды находятся на невероятно больших расстояниях.
Лишь в начале XVII века с изобретением телескопа ситуация прояснилась. Галилео Галилей с помощью телескопа открыл спутники, обращающиеся вокруг планеты Юпитер. Это открытие нанесло серьёзный удар по геоцентрической картине мира. Если спутники могут вращаться вокруг другой планеты, почему сами планеты не могут вращаться вокруг Солнца?
В то же время помощник Тихо Браге Иоганн Кеплер нашёл ключ к построению гелиоцентрической модели. Он показал, что планеты движутся вокруг Солнца не по идеальным окружностям, а по эллипсам. Позднее Исаак Ньютон доказал, что такое движение естественным образом объясняется его законом всемирного тяготения с обратной квадратичной зависимостью.
Долгое отсутствие наблюдаемого звёздного параллакса означало, что звёзды находятся на чрезвычайно больших расстояниях от Солнца. Вселенная стала представляться как бескрайнее море звёзд. С помощью телескопа Галилей смог обнаружить тысячи звёзд, невидимых невооружённым глазом. Ньютон же предположил, что Вселенная является бесконечной и вечной системой звёзд, каждая из которых подобна нашему Солнцу.
В XIX веке астроном и математик Фридрих Бессель наконец смог измерить расстояние до звёзд с помощью метода параллакса. Выяснилось, что ближайшая к Солнцу звезда (не считая самого Солнца) находится на расстоянии примерно 25 триллионов миль (для сравнения, расстояние от Земли до Солнца составляет всего 93 миллиона миль).
Большинство звёзд, которые мы видим на ночном небе, расположены в яркой полосе, называемой Млечным Путём. Иммануил Кант и другие мыслители предположили, что Млечный Путь на самом деле является «островной Вселенной», то есть галактикой, и что за его пределами должны существовать другие галактики.
Астрономы также наблюдали на ночном небе размытые светящиеся объекты, называемые туманностями. Некоторые учёные предполагали, что это могут быть далёкие галактики. Эта гипотеза была окончательно подтверждена в 1920-х годах американским астрономом Эдвином Хабблом, который доказал, что часть этих туманностей является независимыми галактиками, сопоставимыми по размерам с Млечным Путём.
Хаббл сделал ещё более поразительное открытие: галактики удаляются от нас, и скорость этого удаления пропорциональна расстоянию до них. Это наблюдение получило естественное объяснение в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна — Вселенная расширяется.
Фактически Эйнштейн мог предсказать расширение Вселенной ещё в 1915 году, когда сформулировал свою теорию. Однако он ввёл в свои уравнения дополнительный член — космологическую постоянную — чтобы уравновесить гравитацию и сохранить статичность Вселенной. После открытия расширения Вселенной Эйнштейн назвал введение космологической постоянной «величайшей ошибкой своей жизни».
В 1917 году русский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что уравнения Эйнштейна допускают решения, описывающие расширяющуюся Вселенную. Согласно этой модели, Вселенная возникла примерно десять миллиардов лет назад, и галактики до сих пор продолжают удаляться друг от друга. Английский астроном Фред Хойл иронично назвал эту модель «Большим взрывом», и это название закрепилось в научной литературе.
В качестве альтернативы модели Большого взрыва Бонди, Голд и Хойл предложили теорию стационарного состояния. Согласно этой теории, Вселенная расширяется, но остаётся неизменной во времени за счёт непрерывного рождения новой материи.
Этот спор был окончательно разрешён в 1965 году, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли космическое микроволновое фоновое излучение. Оно было интерпретировано как ослабленный тепловой след ранних стадий Большого взрыва и нанесло решающий удар по теории стационарного состояния.
Последующие расчёты показали, что относительное содержание водорода и гелия, образовавшихся во время Большого взрыва, прекрасно согласуется с наблюдениями. Распределение других лёгких элементов также подтвердило теоретические прогнозы.
С 1970-х годов модель горячего Большого взрыва была широко принята в космологии. Сегодня учёные идут дальше, исследуя происхождение галактик, состав Вселенной, роль тёмной материи и чёрных дыр, геометрию пространства-времени и истинную природу космологической постоянной.
Космическое микроволновое фоновое излучение играет ключевую роль в этих исследованиях. В 1992 году спутник NASA COBE обнаружил первые температурные анизотропии этого излучения. Эти крошечные флуктуации были интерпретированы как первичные «зёрна», из которых впоследствии сформировались галактики.
Начиная с 1980-х годов интерес к физике ранней Вселенной стремительно возрос. Космический телескоп Хаббла и другие современные спутниковые миссии предоставляют всё более точные изображения Вселенной, превращая космологию в одну из самых динамичных областей современной физики.