宇宙的起源和進化是物理學研究的最基本的問題之一。建立在廣義相對論和宇宙學原理(即在宇宙大尺度上，物質的分佈是高度均勻各向同性的)之上的大爆炸宇宙模型告訴我們大約137億年前，大爆炸發生的那一刻，宇宙處於一個極致密、極高溫的狀態，形成了空間和時間，宇宙隨之誕生，並經過膨脹、冷卻演化至今。
在這個過程中，宇宙經歷了原初輕元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恆星形成等幾個重要的時期，星系、地球、空氣、水和生命便在這個不斷膨脹的時空裡逐漸形成。
二十世紀二十年代，天文學家哈勃從星系光譜的紅移的觀測中發現宇宙中所有的星系都在彼此遠離退行，距離越遠，退行速度越大，二者成正比，這個比例係數被稱為哈勃常數，這個規律叫哈勃定律。在此基礎上，產生"膨脹宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世紀大量的天文觀測和天體物理研究結果都證實這個模型。
2003年威爾金森微波背景各向異性探測器(WMAP)和斯隆數字巡天(SDSS)天文觀測以其對宇宙學引數的精確測量，進一步強有力地支援了這一模型。這在人類探索宇宙奧秘和物質基本結構的道路上無疑是一個光輝的成就。WMAP的結果告訴我們，宇宙中普通物質只佔4%，23%的物質為暗物質，73%是暗能量, SDSS 也給出類似的結果。
從物質基本結構的觀點出發，普通的物質，如樹木、桌子以及我們人類本身，是由分子、原子構成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理標準模型所描述的夸克和輕子以及傳遞相互作用的粒子(如光子，膠子等)。北京正負電子對撞機就是系統地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)輕子。
什麼是暗物質呢?暗物質是不發光的，但是它有顯著的引力效應。比如，對於一個星系考慮距其中心遠處的天體的旋轉速度，如果物質存在的區域和光存在的區域是一樣的話，由牛頓引力定律可知，距離中心越遠，速度應該越小。可是天文觀測事實不是這樣的，這就說明當中有看不見的暗物質。
目前各種天文觀測和結構形成理論強有力地表明宇宙中有大約三分之一是暗物質。中微子是一種暗物質粒子，但WMAP和SDSS的結果說明，它的質量應當非常小，在暗物質中只能佔微小的比例，絕大部分應是所謂的中性的弱作用重粒子。它們究竟是什麼目前還不清楚。
理論物理學家猜測，它們可能是超對稱理論中的最輕的超對稱粒子，是穩定的，在宇宙演化過程中像微波背景光子一樣被遺留下來。目前世界各國科學家，例如中意科學家合作組DAMA實驗，丁肇中先生領導的AMS實驗，正在進行著各種加速器和非加速器實驗，試圖找到這種暗物質粒子。
暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。支援暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹，星系膨脹的速度不象哈勃定律描述的那樣，是恆定的，而是在不斷加速。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的"暗能量"。
另一個證據來自於近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。但是，我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約只佔其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量，其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分佈或完全不結團。
最近WMAP資料顯示，暗能量在宇宙中佔總物質的73%。值得注意的是，對於通常的能量(輻射)、重子和冷暗物質，壓強都是非負的，所以必定存在著一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。
然而現在物理學的基本理論還無法解釋觀測到的這一暗能量。暗能量是二十一世紀物理面臨的最大的挑戰。物理學對暗能量這種新型別物質的探索才剛剛開始。眾說紛紜，但僅僅是一些猜測和設想，遠沒有形成一個基本合理的解釋。
科學家正在計劃發射新的探測衛星，對於宇宙大尺度空間進行更多更精確更系統的觀測，進一步研究宇宙加速膨脹的規律，確定暗能量的形式和物理特徵，不同的暗能量形式將導致非常不同的宇宙膨脹的規律。解決這一問題需要新的理論，這樣的理論一旦被找到，很可能是人們長期追求的包括引力在內的各種相互作用統一的量子理論。這將是一場重大的物理學革命。
綜上所述，研究暗物質、暗能量這些新的問題需要將描述微觀世界的粒子物理與描述宇觀世界的宇宙學結合起來。這一極大與極小的聯絡是21世紀物理學和天文學研究的一個新特點。