11.膨胀的宇宙
定 义：由于宇宙膨胀，星系间的距离正逐渐增大。
发现历史：埃德温·哈勃通过测量遥远星系的红移，证实了宇宙的膨胀。
关键突破：2001年完成的哈勃空间望远镜重点项目首次对宇宙膨胀速度做出了准确测量。
重要意义：宇宙膨胀的事实如今在我们对宇宙的认识中扮演了至关重要的角色，并且为大爆炸理论的提出奠定了基础。
20世纪20年代，宇宙正在膨胀这一发现永远改变了人类对于宇宙的认识，并且直接影响了宇宙大爆炸理论。近来的一些发现则揭示出了更为复杂的细节，同时再一次改变了我们对宇宙的认识。
20世纪早期，地质学证据颠覆了我们长久以来认为地球相对年轻的理论，即相对较新近的史前灾难将地球塑造成了如今的样子。取而代之的理论认为地球的历史很古老，地球的形态被数亿年甚至更长时间内缓慢而持续的地质作用塑造。同时在天文学界，天文学家们开始重新思考恒星寿命与能源的问题，人们的宇宙观在两个极端间徘徊：如果宇宙是如此难以想象的古老，那么是否有证据表明宇宙真的有一个“起源”？或者宇宙是永恒的，没有开始与终结？
用理论解释现实
基于爱因斯坦相对论时空观构建的模型，人们更倾向于一个动态的、在引力作用下整体不断演化的宇宙，而非一个静态永恒的宇宙。1922年，苏联宇宙学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）推导出了一组方程，结果显示宇宙应当是膨胀的。在这种背景下，爱因斯坦在自己的场方程中有意地添加了宇宙学常数一项，期望得到一个静态的宇宙以符合当时的观测事实。后来他懊悔地表示，添加宇宙学常数是他一生中最大的错误。
与此同时，天文学家正在围绕旋涡星云的性质和宇宙大小的问题进行“大辩论”，这一争论最终通过埃德温·哈勃对邻近星系真实距离的测量得到了解决。哈勃的工作则不可避免地引出了另一个更为惊人的事实——整个宇宙确实在膨胀。
这一发现基于对星系红移的测量——由于多普勒效应，遥远星系发出光的波长在变长。早在1912年，在位于美国亚利桑那州旗杆镇（Flagstaff, Arizona）洛厄尔天文台工作的维斯托·斯里弗就发现了这种频移现象及其普遍意义。在测量那些性质有争议的旋涡星系的光谱时，斯里弗发现光谱中通常表征天体化学性质的所谓暗吸收线的位置变得面目全非。光谱线位置发生较大改变的现象很快得到了解释：在天空的不同区域中，那些遥远的星系都在以极快的速度远离地球。
1929年，哈勃和米尔顿·赫马森（Milton Humason）发表了关于星系距离及其光线红移之间关系的论文。论文的结果揭示了一个清晰的正比关系——天体距离我们越远，就拥有越大的红移，即天体能以更快的速度远离地球。基于广义相对论方程，对这一关系唯一合理的解释并不是我们的星系与众不同，而是整个宇宙正在膨胀并由此拖曳着所有的星系相互远离（类似烤面包时，膨胀的面包带动其中的葡萄干相互远离）。如果空间以固定速度膨胀，就会造成遥远星系间相互远离的速度大于临近星系的现象。特别要指出的是，是空间本身的膨胀驱使着星系相互远离，而不是星系本身相对于空间的运动。尽管数十亿年前星系距离我们更近，但是那时星系发出的光为了到达地球必须穿过不断膨胀的宇宙空间。
“宇宙膨胀是大爆炸理论的关键证据。如果天体正在相互远离，那么它们一定曾经非常接近。”
多普勒（Doppl-er）效应表现为当遥远波源相对于观察者远离或靠近时，其发出光线的波长会相应地拉长（1）或压缩（2）。最佳的测量方法是测量光谱线（图中连续光谱中的黑线）相对于其静止情况下的预期位置（白线）的移动。
准确测量膨胀速度
宇宙的膨胀速度即后来所称的哈勃常数（H0），通常以千米每秒每百万秒差距〔（km/s）/Mpc〕为单位（100万秒差距相当于326万光年），如今仍然很难测量。一部分原因是大多数星系的距离太过遥远而不能依靠哈勃采用的造父变星方法测量，另一部分原因是临近星系群和星系团的局域引力效应减弱了宇宙膨胀的效应。哈勃严重地高估了哈勃常数的数值，认为其值为250（ km/s）/Mpc。1958年，美国天文学家艾伦·桑德奇（Allan Sandage）首次发表了哈勃常数较为准确的数值，约为75（km/s）/Mpc。尽管已经得到了以上结果，哈勃常数测量的结果仍然变化很大。1990年发射的哈勃空间望远镜的主要科学目标就是测量更多、更远的造父变星，并得到更准确的哈勃常数数值。由卡内基天文台（Carnegie Observatories）的温蒂·弗里德曼（Wendy L. Freedman）领导的哈勃空间望远镜重点项目于2001年测算出最新的哈勃常数值为（72±8）（km/s）/Mpc，这与桑德奇的结果非常接近。此后，天文学家又利用钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及哈勃空间望远镜上搭载的其他设备，结合巧妙方法重新验证、测量了哈勃常数，这些结果之间的差别都是极小的。
除宇宙微波背景辐射外，宇宙膨胀被认为是大爆炸理论的另一关键证据，其中的逻辑是：如果天体正在互相远离，那么在遥远的过去，这些天体肯定距离非常近。虽然一些稳恒宇宙模型中的宇宙也在膨胀，但是这些理论往往不能解释宇宙其他方面的观测事实。
同样重要的是，一旦宇宙膨胀的事实被大多数人接受，红移就可以成为替代其他方法而得到天体距离的方式。即使在我们准确得到哈勃常数的数值之前，我们也可以利用红移来大体地推测星系是更近还是更远，甚至可以估测出星系距离间的比值（因为有2倍红移的星系，距离也应当是2倍）（译注：在低红移的情况下，这个关系近似成立；高红移的情况需要更复杂的讨论）。
球形的投影图显示了威尔金森微波各向异性探测器于2003年第一阶段的测量结果中的微小变化。