自從科學的潘多拉盒子被打開後，科學便獲得了迅猛發展。研究科學發展規律的科學哲學日益重要起來。哲學家康德注意到這個問題，他在《未來形而上學導論》中說，「不管是證明我們自己的有知也罷，或者無知也罷，我們必須一勞永逸地弄清這一所謂科學的性質，因為我們再不能更久地停留在目前這種狀況上了」。在科學哲學中，科學通過科學革命發展的模式最有影響力。在總結過去200年的科學發展過程中，美國科學哲學家托馬斯·庫恩於1962年發表了《科學革命的結構》，提出了一個較精確且影響深遠的模型。庫恩的論述是以「範式」這個概念為基礎的。
範式，原文是paradigm，指某一學科內被人們共同接受、使用並作為交流思想的一套共同的概念體系和分析方法。庫恩說，「所謂範式，就是一組共有的方法、標準、解釋方式或理論，或者說是一種共有的知識」。例如，幾何學有兩個範式。歐幾里得的《幾何學基礎知識》是名副其實的幾何入門和基礎算術入門，整個幾何演繹體系都建立在5條公理上，其中，第5條公理是「兩條平行線永遠不相交」。歐幾里得的公理曾經被當做任何數學幾何的基礎，而且是一種不容爭辯的基礎，這就是一種幾何範式。建立在這5條公理之上，一個嚴密和完美的邏輯體系發展起來了。從古代希臘到19世紀這段漫長時期內，數學家都沒有對歐幾里得幾何範式產生懷疑。直到19世紀，數學家高斯等發現，只要改變第5條公理，同時保留前4條公理，那麼，可以創建另外一種幾何範式，它們能像歐幾里得幾何學一樣，以同樣的數學嚴密性建立起來，這就是所謂「非歐幾里得幾何」。兩個幾何範式都在不同場合下具有實踐性和有效性，「歐幾里得幾何」適合有限空間，「非歐幾里得幾何」適合宇宙空間。在浩瀚的宇宙空間，受物質的引力作用，空間發生了彎曲，兩條平行線是可能相交的。
在庫恩看來，在一個公認的範式中，科學家們的活動被稱之為「常規科學」，這種活動通常是由「解難題」構成的，這也就是增加業已得到共同承認的知識的儲備。以庫恩的話來講，「常規科學」是科學群體共同分享的一系列模式和假設，通常在嚴謹的邏輯框架下運行，如果沒有大膽的探索精神是斷不可能打破這些框架的。而處於「常規」下的科學家們遠非客觀，他們有理由持守「正統」的理論，而傾向於在現有的架構內尋找問題的答案。「常規科學」是緩慢、連續、穩定和積累的變化，「常規科學」只是在科學首創確立以後的「精湛化」。例如，癌症和艾滋病是目前威脅人類的兩大疾病，由於有共同的研究規範，全球科學家組成的「科學共同體」 能集中精力於攻克癌症和艾滋病上，近年來進展驚人，兩大疾病已經不像以前那樣可怕了。試想，如果沒有共同的研究規範，「科學共同體」就沒有辦法組成，更談不上把它集中到某一個前沿領域上。
庫恩認為，「常規科學」的改進不會永遠持續下去，終究會「碰壁」，導致危機和革命。在一個範式的框架內，「常規科學」會一直延續下去，直到出現反常時為止。反常最終會導致一場危機，隨之而來的就是一場將要產生新範式的革命。科學中的革命，就是一種範式向另外一種範式的轉換，科學中出現的危機引導新的範式的產生，從而導致了原有範式的轉換。
什麼是科學革命呢？庫恩指出，革命是對世界看法的改變。他寫道：
根據現代編史工作的要求審查過去的研究記錄，科學史家也許會驚呼，當規範改變時，這個世界本身也同它們一起改變。科學家們在新規範的指導下採用新工具觀察新領域，甚至更重要的是，科學家們在革命期間用熟悉的工具觀察他們以前已經觀察過的領域時看到了新的不同的東西。這有點像把這個專業團體突然運送到另一個行星上去了，在那裡熟悉的對象是以不同的眼光來看待的，並且是由不熟悉的對象聯結起來的。當然，那種情況並沒有發生：沒有地理上的移植，實驗室外面日常事務通常也像以前一樣在繼續。儘管如此，規範改變確實使科學家們用不同的方式去看待他們的研究工作約定的世界。就他們只是依靠由他們看到和做到的那個世界而論，我們也許想要說，在一次革命以後，科學家們是對一個不同的世界在作出回答。
天體物理是科學革命頻繁爆發的一個領域。亞里士多德·托勒密的地心說統治世界近2000年。1543年，哥白尼發表《天體運行論》，挑戰了地心說，之後在伽利略的努力下，日心說在400年的時間內完成了對地心說的科學革命，他們證明了地球圍繞著太陽轉；古希臘人很早就猜測行星的軌道是圓，開普勒發現行星繞太陽走的是橢圓，牛頓在1687年發表的《自然哲學原理》一書，給出了萬有引力方程式，證明這個行星的軌道一定是橢圓；在英國皇家學會慶祝20世紀即將到來的盛大年會上，熱力學第二定律的發現者、物理學家凱爾文認為，經典物理學的大廈已經基本建成，在新的世紀中，物理學家們只剩下些修補工作了。1915年，愛因斯坦發表了「廣義相對論」，是想像力達到極致的科學創造，打破了絕對時間的框架，表明時空可以轉換。一個著名例子是一對雙胞胎兄弟的年齡差。如果哥哥乘坐以光速前進的宇宙飛船作長途太空旅行，當他重返地球時，他會比留在地球上的弟弟年輕得多。愛因斯坦的廣義相對論成為描述宇宙演化的「正統理論」，天體物理完成了對經典天體學的科學革命，即愛因斯坦革命。
愛因斯坦原始的廣義相對論預言，宇宙不是膨脹便是收縮。可能出於對麥克斯韋方程組 對稱美的欣賞，愛因斯坦在方程中加上額外的宇宙項，以這種方式得到一個均衡狀態的宇宙模型。可是，14年後，反常開始出現。1929年埃德溫·哈勃從星系光譜的紅移推斷，越遠的星系以越快的速度離我們而去，這表明整個宇宙處於膨脹的狀態。從時間上倒溯到過去，估計在100億～200億年前，曾經發生過一樁開天闢地的大事件，即宇宙是從一個密度極高的狀態通過大爆炸而產生的。哈勃的發現導致第三次天體物理革命，即宇宙是處於不均衡狀態的。愛因斯坦後來把宇宙項稱作「我一生中最大的錯誤」。1925年後，愛因斯坦試圖用統一場來描述宇宙的狀態，可惜，沒有成功。有人戲稱，1925年後，愛因斯坦可以用餘生去釣魚。愛因斯坦晚年的錯誤是用一種均衡的思想理解本身不均衡的宇宙，這是徒勞無益的。宇宙是不均衡的，在不斷膨脹，星系、星雲和可怕的黑洞正遠離地球而去。