都卜勒效應
宇宙間的-切物質都在運動中。遙遠的星系也在運動著，它們都在遠離我們而去。例如，室女座星系團正以大約每秒1210公里的速度離開我們，后髮座星系團約以每秒6700公里的速度離開我們，武仙座星系團約以每秒l0300公里的速度飛奔而去，而北冕座星系團離開我們的速度更大，大約每秒21600公里。星係為什麼要離開我們?我們又是怎么知道它們在運動呢？
在生活中我們都有這樣的經驗：在火車站站台上，一列火車呼嘯著向我們奔來，汽笛的聲調越來越高，當火車離開我們時，汽笛的聲調逐漸降低。這是什麼道理呢？1842年，著名的奧地利物理學家都卜勒首先闡述了造成這種現象的原因。他指出：聲源相對觀測者在運動時，觀測者所聽到的聲音會發生變化。當聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調變得低沉，當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調就變高。音調的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關。這一比值越大，改變就越顯著，後人把它稱為“都卜勒效應”。
都卜勒效應不僅適用於聲波，而且也適用於光波。一個高速運動的光源發出的光到達我們眼睛時，其波長和頻率也發生了變化，也就是說它的顏色會有所改變。雖然天文學家可以利用這一原理測量天體的運動，但是在一般情況下，天體相對於觀測者的運動速度與光速相比是微不足道的，因此光源顏色的變化很難測定。
星系是巨大的恆星集團，但由於它們離我們非常遙遠,每個星系往往只能在大望遠鏡拍攝的底片上看到一個微弱的光點。第一個觀測和測定星系光譜的天文學家是美國洛韋爾天文台的斯里弗。l912—1925年，他拍攝了40個星系的光譜照片，除了兩個星系外，其餘都呈現波長偏長的都卜勒頻移，即向光譜的紅端位移，所測得的離去速度高得驚人，最高達5700公里/秒。
對星系視向速度的研究繼續進行著。天文學家發現，星系的譜線位移和恆星的譜線位移很不一樣。首先，恆星的譜線位移有紅移也有紫移，這反映恆星有的在遠離我們，有的在接近我們，而星系的譜線位移絕大多數是紅移，紫移的極少。其次，恆星的譜線位移不論是紅移還是紫移，一般在每秒數十公里左右，最大的不超過每秒二三百公里，而星系的譜線紅移每秒1000公里以下的只占少數，多數是每秒2000～3000公里，有的甚至達到每秒1萬公里。
1929年，美國天文學家哈勃發現，在宇宙空間不僅幾乎所有的星系都具有譜線紅移現象，而且還存在著星系的紅移量與該星系的距離成正比的關係，也就是說，越遠的星系正在以越快的速度飛馳而去，這被稱為哈勃定律。
有了哈勃定律，天文學家通過觀測星系的譜線紅移量，求出星系的視向速度，進而得出它們的距離。例如，一個以1700公里/秒的速度遠離我們而去的星系，其距離約1億光年；一個以17000公里/秒的速度遠離我們而去的星系，其距離約10億光年。目前已觀測到的最遠星系，正以與光速相差無幾的速度遠離我們而去，其距離達100多億光年。為什麼星系都在離我們而去呢？
紅移的本質是什麼？為什麼會存在哈勃定律？這些問題已經爭論了半個多世紀了，但一直未能得到圓滿的解釋，因而成了天文學裡的老大難問題。
宇宙起源於“原始火球”大爆炸-模型圖 天文學家認為，所謂宇宙大爆炸，並不能想像為高密度高能量的宇宙物質在爆炸後，高速沖向早已存在的空虛的空間之中，如果這樣，原爆炸中心將會留下一個逐漸增大的空洞。同時，爆炸時輻射比物質走得快，結果爆炸時發出的所有輻射就會與物質分離。實際上這兩種現象都不存在，因此宇宙大爆炸必須想像為空間本身自大爆炸開始以光速膨脹。
大爆炸學說比較自然地說明了許多觀測現象，而且理論和觀測結果比較好地相符。但是也遇到了一些問題，其中最突出的是“原始火球”是從哪裡來的?有的天文學家認為：起初宇宙是極其稀薄的氣體，由於萬有引力的作用，逐漸收縮成一團超密物質。然後再爆炸，經過膨脹階段，而重新歸於稀薄，稀薄得簡直和絕對真空相差無兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿的這個非常短暫的時期中。自然，以後還可以再收縮，再爆炸，再膨脹。1965年，美國天文學家桑得奇甚至估計這種“脈動宇宙”每振盪一次大約需要800多億年。這種理論是現實，還是“神話”，目前還不能輕易下結論。
另外一些天文學家，他們不認為星系譜線紅移是由它們的退行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨脹的問題。然而，要在都卜勒效應之外，再找出紅移的另一種解釋，實在太困難了，至少從目前看來是這樣。
有一種解釋認為：，發出光譜的天體因本身的物理狀態不同而產生紅移。例如由於星系那裡引力特別大，因此發出的光譜中紅移特別大，這叫做引力紅移。引力紅移是廣義相對論的預言之一。根據廣義相對論，當一個觀察者從遠離引力場的地方，觀測處在引力場中的輻射源發射出來的光的時候，譜線會向長波方向移動，移動量與輻射源和觀測者兩處引力勢差的大小成正比。
白矮星-內部結構模型圖 另一種解釋則認為光線與傳播途中物質相互作用產生紅移。光線由星系發出之後，要經過若干萬光年才能到達地球，光在長途傳播中要穿透許多星系際介質區域，光和介質發生了某種相互作用，使光譜產生紅移。星系越遠，途中遇到．的介質就越多，因而紅移也就越大，但光與介質相遇如何相互作用而產生紅移，還沒有令人滿意的解釋。
還有一種解釋是光線本身變化而產生紅移。光線在幾千萬年的傳播之中，光子發生了老化，波長變長而出現了紅移，由此推斷越遠的星系光線走得越久，所以看到的紅移也越大。這一假說沒有得到實驗的證實。
正當星系紅移問題鬧得不可開交的時候，60年代又出現了類星體的紅移現象，使問題變得越發複雜了。根據對類星體物理性質的研究。可以肯定，類星體是河外天體。屬於星系這一層次。既然如此．它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行並滿足哈勃定律呢?要直接驗證這一點是困難的，因為至今還沒法求出類星體的距離。對類星體進行統計，結果發現在紅移—視星等圖上，它們的分布毫無規律，這到底是什麼原因呢？
大多數天文學家堅持認為：類星體的紅移是宇宙紅移，即紅移反映了退行，而且紅移和距離之間存在著哈勃關係。證據是類星體的物理性質與某些活動星系很類似，而活動星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外，已發現幾個類星體分別很靠近某個基系團或就在星系團內，而且類星體與星系團的紅移近似相等。還發現某些類星體很靠近一些星系，而類星體和星系的紅移也大致相同。他們認為，類星體在紅移—視星等圖上之所以彌散，是由於類基體的絕對星等彌散太大，而不是因為哈勃定律不成立。
少數天文學家認為類星體紅移不是宇宙學的。對某些類星體和亮星系進行抽樣統計研究，發現有些互相成協(即聯在一起)的星系或成協的星系和類星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發現有些類星體的光譜中，其吸收線的紅移量與發射線的紅移量互不相同，而且不同的吸收線還有各不相同的紅移量，即多重紅移。而成協天體的不同紅移和同一天體的多重紅移，都是用都卜勒效應無法解釋的，必須尋找新的紅移機制。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數變化等紅移機制外，還有一種所謂的“橫向都卜勒效應”。類星體的巨大紅移可能說明它的橫向速度很大。
上述這些觀點，有的僅僅是假說，有的雖有理論根據，但並不能很好地解釋類星體的紅移．持非宇宙學紅移觀點的人認為，類量體的紅移是對現代物理學的挑戰。
對星系普遍存在的譜線紅移的觀測和研究．有力地推動了以整個可觀測宇宙的結構、起源和演化為課題的現代宇宙學的迅速發展。星系紅移的真相一旦被揭開，人類對宇宙的認識必將有一個更大的飛躍。
