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大爆炸宇宙学的主要框架是美国的俄裔物理学家乔治·伽莫夫（George Gamov）在上世纪40年代提出的。他和他的学生阿尔弗（Ralph Asher Alpher）在论文中描述了宇宙早期高温环境，并指出了宇宙原始元素合成的图景，探讨如何寻找大爆炸在宇宙中留下遗迹的证据。
然而，大爆炸这个名词却来源于霍伊尔（Fred Hoyle），他本身是大爆炸宇宙学的反对者，大爆炸这个名词是他的戏谑之言。霍伊尔提出了自己的“稳恒态宇宙学”理论，并质疑道：“如果宇宙起始于一次大爆炸，这种爆炸理应留下某种遗迹，那就请把它找出来吧。”
讽刺的是，霍伊尔为了抨击大爆炸理论而创造出来的新名词却从此青史永驻。他对大爆炸理论的支持者提出的挑战，却导致了支持大爆炸证据的出现。
一、探测的初期思路
1948年，伽莫夫的论文推测，如果真的发生过大爆炸，霍伊尔所嘲讽的大爆炸遗迹就应该存在。他经过计算，认为爆炸时曾经产生出大量的热以合成最早期恒星上的氢元素，事实上还同时合成了一些氦元素。当时他计算出氢元素占80%，氦元素占20%，这个比例与用德国物理学家夫琅和费（Joseph Von Fraunhofer)的光谱分析得到的最早期星系中的氢、氦比例完全相符。伽莫夫坚信，合成这些元素的高温火球的剩余热量到100多亿年后的今天也未完全消失。
他进一步推理，由于大爆炸后的宇宙是向四面八方膨胀的，那么在各个方向上都可能探测到微弱的剩余热量，它的温度不会很高，事实上也就比最低绝对温度（-273度）高几度，但应当能探测到。这就是宇宙中存在的独一无二的各向同性的辐射。今天，我们不能确定宇宙大爆炸的始点位于何方，因为宇宙膨胀在各个方向都是均匀的，剩余热量也同时来自各个方向上。
20世纪60年代，普林斯顿大学的一个研究小组，计划寻找伽莫夫论文中所预言的背景辐射（即霍伊尔认为不可能找到的遗迹）。他们精心地设计相关实验装置。为了从来自宇宙的诸多信号中提取出设想存在的微波辐射，所用的探测装置经过仔细校准。为了用已知的温度来为探测对象的温度定标，他们还准备了一个实验室的“冷源”，背景辐射的余热似乎是手到擒来。
二、背景辐射的特点
事实上，宇宙诞生之初的光，并非从产生开始就沿直线辐射的。最初时刻，宇宙中自由粒子的密度很高，高能光子无法以光速直线传播得很远，总是一再与电子碰撞，然后不断改变传播方向。光线只能在很小的区域内打转，这就是宇宙初期的黑暗时期。
宇宙诞生38万年后，温度降到原子形成的温度，所有电子被原子核捕获，空间变得透明。光子几乎再也不会碰到电子，可以完全自由地在宇宙中直线穿行。在地球上的观测者在任何方向上都可以看到这些光子，专家称之为“宇宙背景光子”。它们携带者宇宙在“电子和光子最后碰撞时刻”的信息。
宇宙背景光子有一个非常重要的特点，就是在任何一个方向上的频率分布一定满足黑体辐射的特征，即处于完美热平衡的状态。地球上、自然界中是不存在这种完美热平衡的。但宇宙诞生之初处于高温、高密度状态，非常接近完美热平衡。
伽莫夫计算了宇宙在“最后光子碰撞时刻”的温度，这样他就可以知道宇宙背景光子的能量。我们知道，宇宙膨胀会使得光子损失能量。当光子在膨胀的宇宙传播，他会经历红移，波长变长，频率变低。宇宙背景光子传播到今天的能量已经很低，探测需要达到一定的精度。
三、背景辐射的发现与解读
1965年，普林斯顿大学的学者迪克（Dicke，Robert Henry）、威尔金森（Geoffrey Wilkinson）和皮布斯（Jim Peebles）开始研究背景光子的性质。迪克意识到，宇宙的微波背景辐射完全可以探测得到，并着手设计制作探测装置。
就在他们信心满满时，他们得到了一个被别人捷足先登的消息。美国贝尔实验室（Bell Labs）的两位工程师阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson），他们制作了一个探测器，用于探测人造卫星反射的电磁波。他们偶然发现了普林斯顿大学的物理学家正在努力寻找的信号，即霍伊尔所质疑的大爆炸遗迹。
当了解到贝尔实验室的这个信号的强度后，皮布斯等人立刻确认这就是他们想要去探测的信号——来自宇宙之初的背景辐射。
彭齐亚斯和威尔逊最初探测到的宇宙背景光子相当于的黑体发出的辐射，这样的辐射能量主要集中在微波波段，所以现在称之为“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background, CMB)。它显示的是宇宙在38万岁时微小的温度涨落，及其对应局部密度的细微差异。
彭齐亚斯和威尔逊，最终因发现宇宙背景辐射荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖。
微波背景辐射不仅仅是大爆炸的证据，其中也包含了早期宇宙丰富的信息。如果能够读取这些信息，宇宙学就将成为一门精确的科学。但是地球大气层对辐射的吸收使得地面的观测设备难以精确地将其信息提取出来。于是，科学家想到只有到太空中去观测才能真正把人们的视线带回大爆炸后不久的宇宙。
一些科学家联合向NASA提出计划，拟将一个探测器送入太空，观测微波背景辐射，这就是COBE（cosmic background explorer)卫星。COBE卫星有两个重要任务，观测微波背景辐射的黑体谱形式，以及探测微波背景辐射的各项异性。
1989年，COBE卫星由火箭携带发射升空，几乎立刻就接收到了从卫星发射回来的准确无误的观测数据。数据显示，微波背景辐射的能谱正如大爆炸理论预期的那样，是近乎完美的黑体辐射谱。处理这些数据花了两年多时间，在计算机根据COBE数据绘制的一张早期宇宙图上，显示出了结构上的细微变化。
COBE卫星的功劳之一正是探测到了背景辐射中的这种细微差别。宇宙早期确实存在一个高温高压、物质分布均匀的时期，在各个不同方向上望去，都能够看到均匀的微波背景辐射。但如果早期的宇宙是理想状态的完美均匀，那么今天我们看到的宇宙中的种种结构，如星系、恒星，便不可能形成，更不会有生命的存在。
今天，我们存在于宇宙中，说明宇宙各处的物质密度中仍存在细小差异。而物质之间的万有引力作用使得这些细微的密度涨落，随时间的流逝逐步增大。密度相对高一些的地方会吸引更多的物质聚集成团，并最终形成今天的宇宙结构。
这些早期的细小涨落，同样会在微波背景辐射上留下印记，使我们看到的微波背景辐射在不同方向上存在微小的差异。这些微小差异，就是孕育当今宇宙中恒星与星系的种子。
四、大爆炸理论进一步巩固
通过COBE观测到的宇宙背景变化的结果被反复地核实和验证，大爆炸所遗留的宇宙背景辐射中存在的细微的温度变化是确定的，这一现象使得星系得以形成。大爆炸理论再次得到实验的支持。
从天文学家勒梅特（Lemaitre Georges）在1927年提出关于“原始原子”的设想，到霍金（Stephen Hawking）对相对论的研究，以及COBE的观测结果对大爆炸理论的进一步证实，这一过程跨越了大约50年。与托勒密（Claudius Ptolemy）的地心说在1500年中一直占统治地位相比，前一过程非常短暂。而牛顿的无限永恒的宇宙模型也曾在长达近200年中独领风骚。尽管大爆炸理论现在已被学界普遍接受，但今天它仍然没有被完全彻底接受。
哈勃定律告诉我们，所有星系都在相互远离而去，空间膨胀仍在继续。如果从哈勃红移的计算结果出发，把空间和时间上溯，就会出现所有的星系都集中在一个点的情况，这是必然出现的结果，也是20世纪物理学得到的一个最令人吃惊的成就。存在众多的证据说明，这个结论是准确的，现在要推翻大爆炸理论越来越困难。
除了哈勃的观测结果外，爱因斯坦的广义相对论、霍金的研究都支持了大爆炸理论。彭齐亚斯和威尔逊的宇宙微波背景辐射观测结果都显示出，我们有能力掌控宇宙的宏观运动状态，大爆炸理论进一步巩固。同时，微观物理学的发展正揭示出宇宙中大量物质是从何而来的奥秘。
五、结束语
宇宙微波背景辐射的图片虽然不如光学望远镜拍摄的星空美丽，看起来好像杂乱无章的马赛克。然而，国家天文台李然博士认为，这样的观测图像却能回答人类对宇宙最根本的诘问：大爆炸是否发生过；宇宙是否在膨胀；宇宙年龄有多大；我们能看到的宇宙有多大；宇宙由什么组成。毫不夸张地说，今天我们对宇宙的知识，一半来自对宇宙微波背景辐射的观测。
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