1.哈勃定律
埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在1929年发表了一篇关于星系距离和退行速度之间的关系的论文。这篇论文题为《银河系外星云的距离和径向速度之间的关系》，开创了观测宇宙学领域，揭示了宇宙正在膨胀，并永远地改变了我们对宇宙的理解。今天很多人都听说过宇宙大爆炸理论，知道宇宙在膨胀。但是仅仅在一个世纪以前，大多数天文学家都认为宇宙是静态的。哈勃的开创性论文带来了人类对宇宙认识的转折点。
哈勃发现星系以正比于距离的速度远离我们——距离我们越远的星系后退得越快，这为宇宙膨胀提供了观测证据。图9-3是哈勃论文中的原图，显示了观测到的星系退行速度与距离的线性关系：v=H0d。这个公式就是著名的哈勃定律。关系式中的H0是哈勃常数，它表示由时空本身的拉伸引起的宇宙膨胀的恒定速率。尽管在任何给定的时间里，膨胀率在各个方向上都是恒定的，但在宇宙的整个生命周期中，膨胀率会随时间变化。当表示为宇宙时间的函数H（t）时，它被称为哈勃参数。目前H0约为70千米/秒/兆秒差距（其中1兆秒差距=106秒差距=3.26×106光年）。
图9-3 星系运行速度和距离的关系
哈勃的关系图是利用24个附近星系的数据获得的，这些星系的速度值大多来自于天文学家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher）对旋涡星云光谱的观测。斯莱弗在1917年时就已经发现几乎每一个他观测的旋涡星云光谱都在红移——意味着它们在远离观察者。他没有理解这个事实的宇宙学含义，因为那时天文学家不清楚那些旋涡星云究竟在银河系内还是在银河系外，后来才知道它们实际上是独立的星系。
哈勃很幸运地使用了当时世界上最强大的望远镜——100英寸口径的胡克望远镜，通过多种方法测量了这些星系的距离。虽然哈勃对星系距离的测定实际上有很大误差，但是足以区分星系的远近，这样才得到了星系退行速度与距离的线性关系。图9-3数据点比较分散，但是可以明显看出速度随距离增加的趋势。
这张图具有深远的影响：我们生活在一个巨大的、动态演变的、向各个方向扩张的宇宙中。它不是爱因斯坦在1917年假设的静态宇宙。事实上，爱因斯坦在他的方程中引入了一个宇宙学常数，以保持宇宙的静态。哈勃的研究结果表明情况并非如此。在1922年，苏联数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）将广义相对论应用于宇宙学，推导出了弗里德曼方程，发现存在非静态解，表明宇宙正在膨胀。1927年，比利时天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）独立推导出弗里德曼方程，提出星系退行是因为宇宙在膨胀，并从理论上导出了星系退行速度和距离之间的线性关系。哈勃1929年的图表证明他们是对的。