如果将宇宙当成一个整体，我们立即就会发现一个关键问题：宇宙是否会随着时间而演变？我们是否应该假设，无论过去还是未来，宇宙始终和我们现在看到的样子差不多？又或者宇宙一直都在变化，而且有不同的演化阶段？
对于这个问题，基于各学科积累的知识，我们可以做出非常明确的回答：是的，我们的宇宙一直在缓慢地变化；已被遗忘的过去、眼下的现在和遥远的将来，这三个时间点的宇宙状态各不相同。除此以外，各学科积累的丰富数据还进一步告诉我们，宇宙有一个确定的开始，从那时候起，它慢慢演化成了现在的样子。正如我们之前看到的，太阳系的年龄大约有几十亿岁，无论我们从哪个方向探查，最后算出来的数字都差不多。月球（这颗卫星显然是被太阳的强大引力从地球上撕裂出去的）也必然形成于好几十亿年前。
针对独立恒星演化过程的研究（见上一节）表明，现在我们看到的大部分恒星年龄差不多也是几十亿岁。天文学家研究了恒星的运动，尤其是双星系统、三星系统以及更复杂的星系团内部恒星的相对运动，最后得出结论：这些星星存在的时间不可能超过几十亿年。
宇宙中各种化学元素——尤其是钍和铀这类放射性元素，众所周知，它们会缓慢衰变——铀和钍的相对丰度为我们提供了另一个角度的独立证据。经历了漫长的衰变以后，如果这些元素至今仍存留在宇宙中，那么我们只能推测，要么其他更轻的原子核至今仍在不断组合形成这些重元素，要么这是最后一批年代久远的库存。
根据我们目前对核嬗变过程的认知，前一种可能性必将遭到摈弃，因为哪怕是最灼热的恒星，它的内部温度也不足以“烹制”出放射性重原子核。事实上，正如我们在上一节里看到的，恒星内部的温度大约有几千万度，但利用较轻的原子核“烹制”放射性原子核需要几十亿度的高温。
因此，我们必须假设，重原子核形成于宇宙演化过程中的某个早期阶段，在那个阶段，所有物质都处于超高温高压的可怕环境中。
我们还可以估算一下宇宙这个“炼狱”阶段的大体时间。我们知道，钍和铀238的半衰期分别是180亿年和45亿年，这两种元素自形成以来还没发生过大规模的衰变，因为现在它们的丰度和其他稳定的重元素差不多。从另一方面来说，铀235的半衰期大约只有5亿年，它的丰度也只有铀238的1/140。所以既然现在我们还能看到这么多铀238和钍，那么它们的寿命绝不会超过几十亿年；而铀235相对较少，根据它目前的数量，我们可以做出更准确的估算。事实上，如果这种元素的数量每隔5亿年就减少一半，既然现在铀235的丰度相当于铀238的1/140，那么前者大约应该经历了7次减半（因为 ），也就是35亿年。[131]
根据化学元素丰度估算宇宙年龄的方法以核物理学为基础，由此算出的结果和天文学家观测行星、恒星和星系团得出的结论完全一致！
不过，在几十亿年前那个万物伊始的早期阶段，宇宙到底是一种什么样的状态？在后来的漫长岁月里，它又是怎样逐渐演变成了现在的样子？
要完整地解答这两个问题，我们需要深入研究“宇宙膨胀”现象。在上一章中我们已经看到，广袤的宇宙空间中充斥着无数庞大的星系（或者说恒星系），而我们的太阳不过是其中一个星系（银河系）内数十亿颗恒星之中的一颗。而且在我们能看到（当然是在200英寸望远镜的帮助下）的范围内，这些星系大体均匀分布。
通过研究遥远星系的光谱，威尔逊山天文台的天文学家E.哈勃注意到，这些星系的光谱线微微偏向红端，越遥远的星系“红移”就越明显。事实上，天文学家发现，不同星系“红移”的程度与它到地球的距离直接成正比。
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