Для определения того, как происходило расширение Вселенной с момента начала расширения, какие процессы при этом протекали, необходимо провести расчеты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества во Вселенной и сравнить результаты расчетов с наблюдениями.
Согласно модели расширяющейся Вселенной на основе закона Хаббла можно примерно установить момент времени начала расширения Вселенной. Расчеты показывают, что это произошло около 13 миллиардов лет тому назад. К настоящему времени наибольшее распространение получила модель горячей Вселенной, которую предложил американский физик Дж. Гамов. Согласно модели Гамова современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в сверхплотном состоянии. Плотность вещества спустя 10-43 с. после начала расширения («Большого Взрыва») примерно в 10108 раз превосходила ядерную плотность. Температура вещества превышала десятки тысяч миллиардов градусов. Разлет вещества происходил со скоростями порядка 250 км/с.
В космологии выделяют несколько периодов в эволюции Вселенной после «Большого Взрыва». Каждый период характеризуется определенными процессами. В первоначальный период, который длился всего нескольких секунд, вещество Вселенной находилось в состоянии фотонной плазмы: на один миллиард фотонов (квантов света) приходилась только одна частица. Фотоны рождаются и уничтожаются при взаимодействии с элементарными частицами. Фотон рождается при взаимодействии частицы и античастицы. Частицы при этом исчезают (аннигилируют), и появляются фотоны. Сами тяжелые частицы, Х-бозоны и их античастицы, рождаются из особого состояния материи – физического вакуума, в котором они имеются в скрытом, «виртуальном», состоянии. Тяжелые частицы и античастицы аннигилируют, и в результате появляются протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и античастицы.
В первые пять минут после «Большого Взрыва» практически произошли все события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль здесь играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Температура в результате расширения уменьшается. При этом протонов становится больше, т.к. их масса меньше массы нейтронов и их образование энергетически выгоднее. Процесс создания избытка протонов прекращается из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны. При падении температуры до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра. Заметим, что в первые мгновения после «Большого Взрыва» фотонов было много (на один протон приходился миллиард фотонов). С течением времени это соотношение остается постоянным, но энергия фотонов становится меньше. Это происходит в результате эффекта Доплера, т.к. частота фотонов, а значит, и их энергия, уменьшаются. Итак, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование дейтерия. Реакция продолжается и образуются ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Одновременно образуется немного лития и изотопа гелия-3. К концу 5-ой минуты после Большого Взрыва расширяющееся вещество состоит из ядер водорода – 70% и ядер гелия – 30%.
Температура становится меньше миллиарда градусов, Вселенная перестает быть горячей, наступает следующий этап расширения Вселенной, который длится порядка триста тысяч лет. Вещество Вселенной в это время представляет собой плазму, которая является непрозрачной для фотонов. При температуре в 4 тысячи градусов начинается образование нейтральных атомов. Появляются нейтральный водород и гелий. Вещество становится прозрачным для фотонов. Нейтральное вещество начинает собираться в некоторые образования, «комки». С этого момента начинает происходить образование галактик.
Следствием концепции первоначально горячей Вселенной является вывод о том, что от ранней эпохи расширения должно сохраниться остаточное излучение в радиодиапазоне (реликтовое излучение). Реликтовое излучение было открыто в 1965 году американскими радиоинженерами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Обнаружение реликтового излучения сделало достоверным тот факт, что Вселенная действительно эволюционирует.