4000 anni fa i Babilonesi furono abili astronomi capaci di predire le fasi apparenti della luna, delle stelle, dei pianeti e del Sole nel cielo. Essi potevano anche prevedere le eclissi. Furono pero' gli antichi Greci a costruire per primi un modello cosmologico attraverso il quale interpretare i movimenti degli astri. Nel quarto secolo AC, essi svilupparono l'idea che le stelle fossero fisse nella sfera celeste la quale ruotava attorno alla Terra ogni 24 ore, e che i pianeti, il Sole e la Luna, si muovessero tra la Terra e le stelle in un mezzo chiamato etere.
Questo modello fu sviluppato ulteriormente nei secoli seguenti, culminando, nel secondo secolo AC nel grande sistema di Tolomeo. Il moto perfetto era considerato circolare, e quindi i pianeti, essendo oggetti celesti, si sarebbero dovuti muovere seguendo tali traiettorie. D'altra parte, per spiegare il moto complesso dei pianeti, che sembrano ripiegarsi su se' stessi periodicamente, dovettero essere introdotti gli epicicli , cosicche' i pianeti si muovevano entro altri cerchi ruotanti attorno alla Terra fissa al loro centro.
Nonostante questa struttura complicata, Tolomeo produsse un modello cosi' capace nel riprodurre il moto apparente dei pianeti che quando, nel sedicesimo secolo, Copernico propose un sistema eliocentrico, non pote' imitare l'accuratezza del sistema geocentrico di Tolomeo. Copernico costrui' un modello in cui la Terra ruotava e, assieme agli altri pianeti, si muoveva in orbita circolare attorno al Sole. Ma le osservazioni astronomiche favorivano il sistema tolemaico!
C'erano anche altre ragioni pratiche per cui molti astronomi del tempo rigettarono la nozione copernicana secondo cui la Terra orbitava attorno al Sole. Tycho Brahe, il piu' grande astronomo del suo 16mo secolo, riconobbe che la Terra girava attorno al Sole, e che le posizioni relative delle stelle dovrebbero cambiare quando vedute da parti diverse dell'orbita terrestre. Ma di questo spostamento, chiamato parallasse, non c'era alcuna evidenza . O la Terra era fissa, oppure le stelle dovevano essere lontane ad una fantastica distanza.
Fu solo nel diciassettesimo secolo, con l'aiuto del telescopio di nuova invenzione, che Galileo pote' dare un colpo fatale alla teoria geocentrica. Egli scopri' che diverse lune orbitavano attorno al pianeta Giove. E se lune potevano orbitare un altro pianeta, perche' i pianeti non potevano orbitare attorno al Sole?
Quasi contemporaneamente, un allievo di Tycho Brahe, Keplero scopri' la chiave della costruzione di un modello eliocentrico. I pianeti si muovevano in ellissi, non in cerchi perfetti, attorno al Sole che ne occupava uno dei fuochi. Newton piu' tardi mostro' che l'orbita ellittica poteva essere spiegato con la sua legge della gravitazionale universale.
L'assenza tuttavia di qualsiasi osservabile parallasse nelle posizioni apparenti delle stelle, quando la Terra girava attorno al Sole, implicava che le stelle dovessero trovarsi ad una enorme distanza dal Sole. Il cosmo sembrava essere un vasto aggregato di stelle. Con l'aiuto del suo telescopio, Galileo poteva distinguere migliaia di nuove stelle invisibili all'occhio nudo. Newton concluse che l'Universo doveva essere un infinito ed eterno mare di stelle, ognuna simile al nostro Sole.
Fu solo al diciannovesimo secolo che l'astronomo e matematico tedesco Bessel misuro' finalmente la distanza dalle stelle, utilizzando la loro parallasse. La stella piu' vicina (oltre al Sole) risultava essere lontana 40.000 miliardi di chilometri! (Per contrasto il Sole e' a soli 149 milioni di chilometri dalla Terra).
La maggior parte delle stelle che noi vediamo sono contenute nella Via Lattea - la striscia luminosa di stelle che si stende nel nostro cielo notturno. Emmanuel Kant ed altri proposero che la nostra Via Lattea fosse in effetti una galassia lenticolare (un universo insulare), e che oltre la nostra ci dovevano essere molte altre galassie.
Oltre alle stelle ed ai pianeti, gli astronomi avevano notato delle macchie irregolari di luce nel cielo notturno, che essi chiamarono nebulose. Alcuni astronomi pensarono che esse dovevano essere delle distanti galassie. Fu solo nel 1920 che l'astronomo americano Hubble stabili' che alcune di quelle nebulose erano effettivamente delle distanti galassie paragonabili in dimensioni alla nostra Via Lattea.
Hubble fece anche l'importante scoperta che quelle galassie sembravano allontanarsi da noi. Venne subito riconosciuto che cio'aveva una spiegazione del tutto naturale nei termini della Teoria della Relativita' agenerale di Einstein, recentemente scoperta: il nostro Universo si sta espandendo!
In realta', Einstein avrebbe potuto predire che l'Universo si espande, gia' dopo aver proposto la sua teoria nel 1915. La materia tende a raggrupparsi sotto l'azione della gravita' cosi' che e' impossibile l'esestenza di un universo statico. Tuttavia Einstein penso' di poter introdurre una costante arbitraria nelle sue equazioni, per bilanciare la forza gravitazionale e tenere le galassie separate. Essa divenne nota come la costante cosmologica. Dopo che si scopri' che l'Universo si stava effettivamente espandendo, Einstein dichiaro' che l'introduzione della costante cosmologica era stato il piu' grande sbaglio della sua vita!
Il matematico e meteorologo russo Friedmann osservo' nel 1917 che l'equazione di Einstein poteva descrivere un universo in espansione. Tale soluzione implicava che l'Universo era nato in un solo breve momento, circa 10 miliardi di anni fa e che le galassie stavano ancora allontanandosi tra loro (e da noi) dopo lo scoppio iniziale. Tutta la materia, cioe' l'Universo stesso, era stato creato in un solo istante. L'astronomo inglese Fred Hoyle lo chiamo', per dirlo con leggerezza, il "Big Bang'', ed il nome rimase.
Esisteva un modello rivale, chiamato la "Teoria dell' Universo Stazionario" - proposto da Bondi, Gold and Hoyle - sviluppato allo scopo di spiegare l'espansione dell'Universo. Esso richiedeva la creazione continua della materia, durante l'espansione dell'universo, per produrre nuove galassie. Cosi' si assicurava che l'Universo potesse espandersi, pur rimanendo immutato nel tempo.
Per molti anni, le ipotesi secondo le quali l'universo fosse eterno e statico, oppure se avesse un'eta' determinata e si andasse espandendo, sembro' restare un puro esercizio accademico. Ma un colpo decisivo alla Teoria dello Stato Stabile fu inferto nel 1965 dagli amercani Aldo Penzias e Robert Wilson, quando scoprirono una radiazione cosmica di fondo a microonde. Essa fu interpretata come il debole riverbero dell'intensa radiazione del Big Bang, come predetto da Alpher e Hermann fin dal 1949.
A seguito di un precedente lavoro di Gamow, Alpher e Herman (1940), i teorici calcolarono la relativa abbondanza degli elementi idrogeno ed elio che potevano essere stati prodotti durante il Big Bang e trovarono che era in ottimo accordo con le osservazioni. Quando l'abbondanza di altri elementi leggeri fu calcolata, si trovo' che essi pure avevano valori che confortavano le osservazioni.
Dal 1970 quasi tutti i cosmologi hanno accettato il modello del Big Bang ed hanno cominciato a porsi domande piu' specifiche, ma ancora fondamentali, sul nostro Universo.Come si formarono le galassie ed i gruppi di galassie dall'epoca dell'espansione primordiale? Di che cosa e' composta la maggior parte della materia dell'Universo? Come possiamo escludere che non ci siano dei buchi neri oppure della materia scura, visto che questi corpi non risplendono come le stelle? La teoria generale della relativita' ci dice che la materia curva lo spazio-tempo, ed allora quale e' la forma reale dell'Universo? Esiste davvero una costante cosmologica?
Solo di recente stiamo cominciando a trovare qualche risposta ad alcune di tali domande. La radiazione cosmica di fondo a microonde gioca un ruolo importante poiche' ci formisce un quadro dell'universo come doveva essere solo qualche centinaio di migliaia di anni dopo il Big Bang. Esso sembrava mostrare in un primo tempo un'estrema uniformita', e solo nel 1992 il satellite Cosmic Background Explorer della NASA segnalo' per la prima volta la presenza di anisotropie in questa radiazione di fondo. Ci sono piccole fluttuazioni nella temperatura della radiazione, circa una parte su centomila, che puo' costituire i semi da cui le galassie si formarono.
A partire dai primi del 1980 c'e' stato un forte aumento di interesse nella fisica dell'universo primordiale. Nuove tecnologie ed osservazioni compiute attraverso satelliti, come il Telescopio Spaziale Hubble, ci hanno fornito un quadro sempre oiu' completo del nostro Universo, permettendo ai teorici di produrre modelli sempre piu' arditi, attingendo dalle ultime teorie sulla relativita' e la fisica delle particelle.