1.多普勒效应和分光学定律
在公路旁，我们会感受到汽车所发出的两种截然不同的声响：当汽车高速向我们驶来时，汽车声响的音调在不断升高（即声音的频率在升高）；而当汽车驶过我们远离而去时，其音调却不断变低（也即声音的频率在降低）。奥地利物理学家多普勒（Christian Johann Doppler）最早于1842年提出了对这种现象的解释，是他发现了运动着的物体的声音频率是在变化着的效应，这一效应在物理学上就称之为多普勒效应。
多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波。一个物体所发射的光的频率，也会因其运动与观察者的关系而改变，如果该物体接近观察者，观察到的其光的频率会升高，反之，则会变低。谁也没料到的是，这一重要发现最终竟帮助人类认识了天体之间的相向运动。
1854年德国物理学家基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）与德国化学家本生（R.W.E.Bunsen）研究了金属盐在火焰中的蒸气的光谱，从而为光谱分析奠定了基础，创立了光谱化学分析法，并发现了铯（1860年）、铷（1861年）两种化学元素，提出了分光学的几条基本定律：
（1）每一种化学元素都有它自己的、具有特征的光谱线；
（2）每一种化学元素都可以吸收掉它自己所能发射的那些光谱线；
（3）灼热状态的固体和液体都发射连续光谱，气体发射不连续的明线光谱，但高压下的气体也发射连续光谱。
运用光谱分析法我们就能轻而易举地分析出任何体系中的化学元素的组成。
天文学家也据此对天体的光谱进行了长期的研究。他们将某一恒星射来的光用望远镜捕捉后，通过棱镜的分光，长时间地在胶片上曝光，所得的图形即是天体的光谱图。这种光谱图或是在暗黑的背景上有一些亮线，或是在明亮的背景上有一些暗线，而且这些线条都有一定的位置，这个位置即表示一定的波长（或频率）。后来人们发现，原来这些线条就是天体上所存在元素的“条形码”。
2.太阳的光谱图
天体光谱学的诞生，宣告了天体不可知论的破产。基尔霍夫在1861年又继续出版了《太阳光谱论》一书，书中附载了一张划时代的太阳光谱图，长2.4米，他指出只要将图上的吸收线的位置与元素的标准光谱相比较，就不难辨认出太阳上究竟存在哪些元素了。
3.谱线红移的发现
天文学家在继续对遥远天体的光谱图作研究时，得到了另一个意外的发现：这些天体的谱线竟然偏离了它们原来应在的位置，移向了低频率，也就是移向了光谱的红色频率部分，这种现象被称为红移。对此发现，天文学家经过研究认为，根据多普勒效应（见图2-1），天体光谱图上的谱线向光谱紫端偏移或向红端偏移，就意味着该天体是正朝向地球而来或远离地球而去。
图2-1 天体运动的多普勒效应示意
研究表明，大多数恒星光谱在紫色频率部分都有两条暗线，这是Ca元素的两条吸收谱线，以后又发现在那些遥远的暗淡的星系的光谱中也有这两条谱线，但是它们不在紫色频率部分，而是在红色频率部分。因此，1868年，英国天文学家哈金斯（William Huggins）便根据多普勒效应宣布了天狼星正以46.5千米每秒的速度远离地球而去。
4.哈勃定理
1890年，美国天文学家基勒（J.E.Keeler）测得大角星正以6千米每秒的速度向我们飞来，仙女座也以200千米每秒左右的速度向我们飞来。可令人惊讶的是，银河系之外的大部分星系的光谱却都存在红移现象，也就是正在远离地球而去，而且星系越远，光谱的红移也就越大。
1929年美国天文学家哈勃（E.P.Hubble）研究了银河系之外的24个星系，发现这些星系都在远离我们而去，他因此提出了著名的哈勃定理：一个星系的退行速度同这个星系离我们的距离成正比。
这一定理后来得到了很多天文学家的证实。1960年，在美国的500厘米口径的天文望远镜投入使用后，天文学家探测到了一些非常遥远的天体，根据哈勃定理的计算，这些天体退行的速度高达24万千米/秒，距离地球160亿光年。
这些发现太不可思议了，如果星系远离我们的速度接近或是达到了光速，那么它们发出的光又怎么能来照亮地球呢？而且它们离我们的距离又这么遥远，根据地球年龄约46亿年可知，至今还有许许多多的光还正在赶往地球的路上呢！科学家从大型天文望远镜中也不过能看到50亿年前的星系所发出的光，我们又何从谈起这无限多的星光来照亮地球的夜空呢？
5.宇宙在膨胀
哈勃定理的发现最终证明了宇宙是在膨胀中的，这也是很多科学家潜心研究的共同结果。有人对此解释说，可以设想，一个气球在充气膨胀时，它上面的各点彼此之间将会四散分开，对于这气球表面或是气球当中的任何一点（假定每一点代表一个星球）来说，其他各点似乎都在离它而去。这虽是一个简单的解释，但它已经是十分形象的了。
爱因斯坦（Albert Einstein）在发表他的广义相对论时，发现他的“场方程”得到的结论是宇宙在运动着，宇宙是不可能静止的，这与宇宙膨胀的解释相一致。但是，当时的天文学家对宇宙观察的结论是宇宙是静止的，于是爱因斯坦据此修改了他的方程。1929年哈勃发现宇宙在膨胀后，爱因斯坦只能惋惜地将他这次修改称之为“一生中犯的最大错误”。
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