Parece ser inevitable que al preguntarnos acerca del Universo en su conjunto choquemos con cuestiones que dificilmente podemos concebir. Ante la noción de que el Universo tuvo un principio surje la pregunta ?`qué hubo antes? Si por otro lado postulamos que el Universo es eterno, debemos aceptar que ya ha vivido un tiempo infinito y tiene por delanto otro tanto. Estas cuestiones rebasan los límites de la ciencia, tornandose metafísicas, y no es de extrañar que descubrimientos relacionados con la naturaleza del Universo en su conjunto hayan sido de gran impacto en el pensamiento humano.
Utilizando la rama de la física conocida como espectroscopía, los astrónomos pueden medir con mucha mayor precisión que el ojo humano el color de la luz de las estrellas y demás astros. Al hacer pasar la luz de estrellas, galaxias y cuasares a través de primas, o sistemas ópticos similares a ellos, pueden identificar los colores azul y rojo del hidrógeno, el verde del oxígeno, el amarillo del sodio. Es posible "medir el color" asociado a brillo de un elemento químico, como el hidrógeno, oxígeno o sodio, mediante la longitud de onda de la luz. Así el hidrógeno se identifica por su firma con el azul de longitud de onda de 486.2 nanómetros y el rojo de 656.3 nanómetros; mientras que el oxígeno en las nebulosas brilla con el color verde de 500.7 nanómetros y el sodio puede apreciarse en el color amarillo de 589.2 nanómetros característico de algunas lámparas de iluminación de bajo consumo de energía (por ejemplo en las casetas de cobro de la autopista México-Puebla). Los colores que el ojo humano puede percibir se hallan normalmente entre el violeta a 390 nanómetros hasta el rojo de 780 nanómetros, aunque algunos experimentos sugieren que algunas personas pueden percibir luz ultravioleta de hasta 310 nanómetros y otras luz infrarroja por encima de 1000 nanómetros. A mediados del siglo pasado el físico austriaco Christian Doppler mostró que el color de una fuente de luz debería verse afectado por su movimiento con respecto a quien la observa, siendo la luz detectada mas azul si la fuente se acerca y mas roja si se aleja. En 1868 William Huggins midió por primera vez la velocidad de una estrella, estimando que Sirio se aleja del Sol a 48 kilómetros por segundo (el valor real es en realidad menor). La medición de velocidades en astronomía mediante espectrógrafos es una herramienta poderosa que ha sido utilizada exitosamente por mas de un siglo.
En un reporte escrito en 1918 acerca de la naciente teoría de la relatividad general, Eddington hizo mención de mediciones realizadas por Vesto Slipher hacia 1912, las cuales indicaban "grandes velocidades de recesión de las nebulosas espirales", añadiendo que "no es posible asegurar que estas nebulosas tienen un movimiento de recesión sistemático pero, hasta donde se ha determinado a la fecha, las nebulosas en recesión son preponderantes". Curiosamente una de las primeras mediciones de Slipher fue la de gran nebulosa de Andrómeda la cual se acerca hacia nosotros a mas de 300 kilómetros por segundo. Hacia 1914 Slipher había medido las velocidades de trece nebulosas espirales, y para 1925 ya tenia las de cuarenta y cinco. Con contadas excepciones, como la de Andrómeda, todas mostaban su luz "corrida al rojo", indicando un movimiento de alejamiento, o recesión.
Desde 1919 Edwin Hubble había estado estudiando las nebulosas espirales y elípticas con el telescopio de metro y medio de Mount Wilson, el mayor del mundo por unos años, y en 1923, con el flamante telescopio de dos metros y medio, pudo distinguir estrellas individuales en Andrómeda, probando que se trata de galaxias separadas de las nuestras. Hubble buscó métodos para estimar la distancia de estas nebulosas y para 1929 tenía una lista de dieciocho galaxias con distancia y velocidad de recesión medidas. Con esta muestra de objetos Edwin Hubble enunció que "el Universo de las galaxias está en expansión y que la velocidad de recesión de las galaxias es proporcional a su distancia al Sol".
La expansión del Universo lleva a la conclusión de que toda la materia debió estar en un solo punto en un pasado remoto. Las primeras mediciones de Hubble indicaban que este "primer instante" debió haber sucedido hace cuando mucho dos mil millones de años. Estudios posteriores de elementos radiactivos en rocas indicaron que la edad de la Tierra es de mas de cuatro mil millones de años, es decir mas del doble que la edad de Universo. Los astrónomos salieron del aprieto cuando en 1952 Walter Baade, usando el telescopio de cinco metros de Monte Palomar, mostró que Hubble había cometido algunos errores en sus métodos de estimación de distancias y el Universo podía tener mas de diez mil millones de edad. La tasa a la cual se alejan las galaxia (medida por la llamada constante de Hubble) indica en principio la edad máxima que puede tener el Universo. Las mediciones mas recientes, algunas de ellas con el telescopio espacial, indican que el Universo tiene cuando mucho trece mil millones de años, edad similar a la de algunos cúmulos globulares, los objetos mas viejos que se conocen.
Hoy en día se debate fuertemente el valor de la constante de Hubble, si este es realmente un límite superior para la edad del Universo y otras cuestiones relacionadas. Sin embargo, el concepto del Universo en expansión está aceptado por la mayoría, aunque no la totalidad, de la comunidad científica. Esto se debe a la evidencia que aporta no solo la ley de Hubble que enuncia la recesión de las galaxias, sino también al descubrimiento en 1965 de la radiación de fondo y la llamada abundancia del helio primigenio.