窮宇宙之際(吳國盛)
20世紀的天文學，由于觀測手段更為先進，將人類的視野擴展到了150億光年的空間距離。除了傳統的光學望遠鏡隨光學材料的改進和加工能力的提高，出現了空前大的口徑外，無線電接收技術的發展，導致了可見光之外各波段的天文觀測，射電望遠鏡沖破了銀河系內星云塵埃等設置的光學屏障，把目光射向了河外星系。天文學進入了全波時代。
天體物理學在20世紀發展成了天文學的主流，它最引人注目的成就是誕生了將整個宇宙作為自己的研究對象的現代宇宙學。以愛因斯坦的相對論為理論基礎，以大尺度的天文觀測特別是河外星系的普遍紅移和宇宙背景輻射為事實依據，宇宙學展示了宇宙整體的物理特征。
1河外星系的觀測與紅移的發現
在浩瀚的太空中，除了有無數發光的星星外，還有彌散狀的星云。關于星云的本質長時期存在爭論，一種觀點認為星云是銀河系內的星際物質，另一種觀點則認為，星云實際上是像銀河系一樣巨大的恒星集團，只是因為太遠而看起來像“云”，由于觀測手段的限制，這兩種觀點孰是孰非無法得到最后的判明。
到了20世紀，觀測手段有了較大的發展，美國在威爾遜山上建造了當時世界上最大的25米口徑的反射望遠鏡，確定空間距離的天體物理方法也發展了起來。人們可以對星云的本質有所說明了。
宇宙空間的尺度是太大了，不同的尺度范圍要采用不同的方法，因為在某個范圍有效的方法進一步擴展就失效了。對于較鄰近的天體，可以用三角法測距。三角法也就是傳統的視差法，距離太陽最近的比鄰星(即半人馬座α星，我國古代稱之為南門二)就是通過視差法測出的，距離為43光年。使用三角法已經測定了500光年的空間距離，但更大的距離三角法就無能為力了。
更大的距離往往采用光度方法確定，我們知道，恒星的視亮度、距離與本身的光度三者之間存在某種確定的關系，視亮度是可以在地球上測定的，因此只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距離。天體物理學已經得知，從光譜分布可以相對地確定恒星的光度。因此，光度方法可以用來大致地確定更遠的空間距離。使用主序星作為標準，天文學家測出了10萬光年的空間距離，大致搞清楚了銀河系的空間結構。
超出10萬光年之外，主序星的光度就顯得太小而不為我們所見，天文學家又找到了造父變星作為標準，利用這個新的光度標準，可以確定星云的本質了。
1924年，美國天文學家哈勃(1889—1953)利用威爾遜山的大望遠鏡觀察仙女座大星云，第一次發現它實際上由許多恒星組成，而且其中有造父變星，這樣就可以運用光度方法來確定它的距離了。計算的結果是，仙女座星云位于70萬光年之外，遠遠超出了銀河系的范圍，這就最終證明了某些星云確實是遙遠的星系。哈勃一鼓作氣，此后十年致力于觀測河外星云，并找到了測定更遠距離的新的光度標準，將人類的視野擴展到了5億光年的范圍。
與此同時，美國另一位天文學家斯萊弗(1875—1969)正致力于恒星光譜的研究。從1912年開始，他將視線對準了河外星云，發現它們的光譜線普遍存在著向紅端移動的現象。隨著觀測的進展，積累的數據越來越多，除個別例外，幾乎所有的河外星系(此時哈勃已經表明這些星云確實是河外星系)的光譜都有紅移現象。如果按照多普勒效應解釋，這就意味著這些星系都在遠離地球而去，而且退移的速度相當大，比如室女座星云的速度達到了每秒1000公里，這樣大的速度是令人稱奇的。
1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，并結合自己對河外星系距離的測定，提出了著名的哈勃定律：星系的紅移量與它們離地球的距離成正比。這一定律被隨后的進一步觀測所證實。哈勃定律指出了河外星系的系統性紅移，反映了整個宇宙的整體特征，特別是當紅移作多普勒效應解釋時，哈勃定律就展示了一幅宇宙整體退移也就是整體膨脹的圖景：從宇宙中任何一點看，觀察者四周的天體均在四處逃散，這就像是一個正在脹大的氣球，氣球上的每兩點之間的距離均在變大。
