21.1 膨胀的宇宙
1842年，奥地利物理学家多普勒指出，如果光源和观察者之间有相对运动，会使观察者接收到的光源波长发生变化。如果光源离我们而去，我们接收到的波长变长，如果光源朝我们而来，我们接收到的波长变短，这种现象称为多普勒效应。对于可见光来说，波长变长，就是往红光方向移动，所以光源离我们而去时叫做红移。反之，光源朝我们而来波长往蓝光方向移动，就叫蓝移。
从1912 年开始，美国天文学家斯里弗开始观察星云的光谱，经过几年的观察，他发现绝大多数星云的光谱线与正常元素的光谱线相比，整体向长波一端移动了一段距离，也就是发生了红移。根据波长红移的移动量，就可以计算出星系与我们的距离，也可以计算星系的退行速度。
后来美国天文学家哈勃开始进行这方面研究。哈勃首先确认了星云是和银河系一样的另外的星系，然后对星系光谱红移的规律进行研究。1929 年，他总结出一个规律：星系的退行速度与它离我们的距离成正比，后来被称为哈勃定律。
现在人们已经观测到1250 亿个星系，除了几个离银河系最近的星系外，其他星系都在红移。红移现象表明，星系都飞快地远离我们而去，距离越远的星系退行速度越快，星系间的距离在不断变大，也就是宇宙正在膨胀！这个结论被认为是20 世纪最伟大的天文学发现之一。
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几个离银河系最近的星系显示出很小的蓝移现象，例如仙女座星系的光谱与我们相比发生蓝移。其原因是因为太阳系在绕银河系中心运动，正好朝着仙女座星系运动，仙女座星系离我们近，退行速度慢，所以抵消了仙女座星系的退行。
有人问了，为什么所有星系都离我们远去呢？难道我们处于宇宙的中心吗？
事实上，宇宙并不存在中心，在膨胀的宇宙中，所有星系都在互相退行。在任何一个星系中观测，都能看到其他星系在离它远去。宇宙膨胀绝不是一个像炸弹爆炸似的有一个中心爆炸点的过程，它是一个三维空间的膨胀过程，你只有站在四维空间中才能完整地观察到三维空间的膨胀，这对我们来说是很难直观想象的，我们只能以类比的方式用二维空间的膨胀来做个说明。
下面我们从三维空间中观察一个二维空间的膨胀，这个二维空间是一个正在膨胀着的气球表面，宇宙中的星系就像点缀在气球表面上的一些点（见图21-1（a））。气球膨胀时，从任何一点来看，其他点都在远离，两个点远离对方的速度与它们之间的距离成正比（见图21-1（b））。要认识到，并不是这些点在运动，而是这个二维平面空间在膨胀，所以空间各点相互远离，这些点的空间相对位置并没有变化。同理，我们的宇宙空间就是一个三维闭合球面。爱因斯坦在其著作《狭义与广义相对论浅说》中第31 节《一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性》中写道：
“对于这个二维球面宇宙，我们有一个类似的三维比拟，这就是黎曼发现的三维球面空间。它的点同样也都是等效的……不难看出，这个三维球面空间与二维球面十分相似。这个球面空间是有限的（亦即体积是有限的），同时又是无界的。”
图21-1 当气球膨胀时，表面各点相互远离，不存在膨胀中心
我们与其他星系的远离是由于空间在膨胀，而并非由于每个星系自身的运动。比如距离我们几十亿光年远的星系，其退行速度高达每秒十万公里（光速的1/3），星系自身是根本不可能有如此速度的，这是空间的膨胀才导致处于空间各处的星系能以如此惊人的速度相互远离。
此外，我们由气球表面上各点一致的地位，可以看到在这个气球的表面不存在膨胀的中心，也不存在任何边缘，所以在这个气球表面的人不会掉出去。同理，如果有人要寻找宇宙的边缘，那是永远也找不到的，因为宇宙空间并非平直空间。宇宙是一个封闭的四维时空，虽然体积有限，但不存在边缘。
假如你能坐着宇宙飞船沿着你在三维空间中感觉到的直线在宇宙中一直走下去，那么你最后还会回到出发点。就像二维球面世界里的人沿直线一直走最后会回到起点一样，他认为他一直在向前，实际上三维空间的观察者会看到他绕了一个大圈子。同理，你在宇宙中沿着你认为的直线方向一直向前，实际上四维空间的观察者会发现你正在三维空间里绕一个大圈子。但是，三维空间里的大圈子是什么样的，只能感知三维的人类是无法知晓的，就像二维球面里的人只有跳到三维才能看到他的二维闭合球面一样，我们只有站在四维空间里才能看清三维闭合球面的结构，这是不可能办到的。
