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20世纪宇宙学研究发展简述
20世纪宇宙学研究发展简述
摘要：
人类世界最深邃的事物有两个，一个是人类的思想，一个便是那璀璨的星空。
深邃辽远的宇宙，从古至今，都吸引着最具智慧的人才俊彦抬头仰望，低头深思。
进入二十世纪，随着近代物理学的蓬勃发展以及仪器设备的迅速更新，现代宇宙学经历了由建立到成长的过程。
现代宇宙学的发展历史，是人类认知宇宙的艰辛历程，也是人类智慧无限延伸的过程。
关键词：
宇宙，宇宙学，发展历程，二十世纪
目录
摘要：
1
一、宇宙学概要2
二、20世纪之前宇宙学发展概况2
1、古代文明的宇宙观2
（1）中国古代的三种宇宙学说。
2
（2）希腊-罗马宇宙学理论4
2、从哥白尼到牛顿——近代科学体系中的宇宙观6
（1）哥白尼“胆怯的革命”6
（2）牛顿与经典宇宙学7
三、20世纪宇宙学的发展8
1、物理学相关理论对宇宙学发展的影响8
（1）天体物理学的发展对宇宙学研究的推动8
（2）相对论与量子力学的发展9
2、20世纪宇宙学大事件记11
（1）银河系之争11
（2）河外星系的确认12
（3）宇宙膨胀说的提出14
（4）大爆炸理论15
（5）热寂说受到的挑战18
（6）黑洞理论23
结语27
参考书目27
一、宇宙学概要
宇宙学（cosmology），其学科定义是：
从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的天文学分支学科。
宇宙学这一名词译自英文“Cosmology”，英文名词“Cosmology”又是源自希腊文κοσμολογία（cosmologia,κόσμος（cosmos）order+λογια（logia）discourse）。
宇宙学的研究对象是整个宏大的宇宙，涉及物理学、化学、哲学等多个领域。
这是一个古老而又年轻的学科，自人类有智以来，便从未停止过仰望星空。
对于那深邃神秘的星空，先人们有着一套套不甚科学却又合情合理的假说，那代表着先人们最深刻的宇宙观。
而直到1929年哈勃发现红移定律，现代宇宙学才真正建立。
二、20世纪之前宇宙学发展概况
1、古代文明的宇宙观
（1）中国古代的三种宇宙学说。
盖天说是中国古代最早的一种宇宙学说，这一学说可能源于殷末周初，有旧盖天说与新盖天说之分。
旧盖天说是言“天圆如张盖，地方如棋局”，穹隆状的天木盖着正方形的平直大地上。
新盖天说则认为“天似盖笠，地法覆盘”。
新盖天说“以《周髀算经》为基本纲领性文献，提出了自成体系的定量化天地结构。
”这一学说流传至今，被当作是中国古代天文学说的鼻祖。
《晋书•天文志》中有载《周髀算经》中的观点：
“其言天似盖笠，地法覆盘，天地各中高外下。
北极之下为天地之中,其地最高,而滂沲四?
三光隐映,以为昼夜。
天中高于外衡冬至日之所在六万里。
北极下地高于外衡下地亦六万里，外衡高于北极下地二万里。
天地隆高相从,日去地恒八万里。
”
大概意思是：
天是一个穹形，第也是一个穹形，二者如同同心半球一般。
两个穹球的间距是八万里。
北极是天穹的中央，日月星辰周转不息。
日月星辰的出没，不过是距离远近使然。
浑天说大约形成于战国时期，于东汉张衡的理论中渐趋完善。
在《浑天仪图注》中，张衡谈到：
“浑天如鸡子。
天体圆如弹丸﹐地如鸡子中黄﹐孤居于天内﹐天大而地小。
天表里有水﹐天之包地﹐犹壳之裹黄。
天地各乘气而立，载水而浮……天转如车毂之运也，周旋无端。
其形浑浑，故曰浑天。
”张衡认为，天是一种圆球，地球如在球中，如同蛋黄在蛋内一般。
浑天说认为全天恒星都布于一个“天球”之上，而日月星辰则附丽于“天球”上运行。
浑天说不仅是一套宇宙理论，也是一套观测和测量天体视运动的计算体系。
以浑天仪为代表的观测仪器为中国古代天文学观测作出了重大贡献。
浑天说于张衡理论中成形，历魏晋时期陆绩、王蕃、葛洪的论证，刘智、姜岌的改造，再到唐朝一行对本初子午线的测量，使得浑天说成为西方近代天文学传入之前的正统学说。
宣夜说与盖天说、浑天说有着较大不同。
宣夜说认为，天是无形、无体、无质的，其高远无极，天上的星辰是自然生成的，他们悬浮在无边无际的虚空之中。
虚空中充满着气，气推动着日月星辰的行止。
宣夜说的观点，实际与现代科学理论颇为接近，具有超前的认识水平与思辨性，古代缺少先进的科学手段加以证明，使得宣夜说只能停留于思想层面。
且其超越性使得时人无法接受，险些失传。
中国古代的宇宙学理论起源较早，发展却相对迟缓，缺少数学性的理论完善与实验性检验，使得这些理论大多停留在理论层面，最终为近代西方天文学理论所取代。
（2）希腊-罗马宇宙学理论
柏拉图认为各个天体围绕着不动的地球作匀速圆周运动，然而观测中却发现火星存在“留和逆行”，明显不符合匀速圆周运动的原理。
“柏拉图对此十分重视，引用他的一句著名的话：
他责成天文学家用圆‘拯救这些现象’”。
为此，欧多克斯提供了一个解决方案：
同心球叠加模型。
“欧多克斯发现，用三个球就可以复制出日月的运动，行星的运动则要用四个球，这样，五大行星加上日月和恒星天，一共需要27个球。
”适当限制同心球的旋转轴、球半径与旋转速度，大部分天体运行情况便可以被模拟出来，只是仍有许多较大疏漏。
欧多克斯的学说虽然相较于毕达哥拉斯学派的主张地球在运动的学说是后退了一步，但同心圆模式却引导着希帕克斯与托勒密向着更为科学的体系进发。
其后赫拉克利德斯曾提出一项更为大胆的说法：
我们所见的天体圆周式运动，可以假定为地球自传所造成的。
此理论虽并不正确，却打破了地球不动的既有观念，不为时人所信，“因为大地稳稳当当一丝不动的直接感觉似乎与此矛盾。
”
萨默斯的阿里斯塔克则更为激进，被后世天文学家誉为“古代世界的哥白尼”。
其理论与哥白尼的日心说有着惊人的相似性：
他同样主张太阳与恒星是固定的，他同样主张地球运行于环绕太阳的轨道上，并且处于这轨道的中部，以自传来解释天体的每日循环，以公转来解释太阳绕黄道的表现路径。
“对于应该产生但没有被观测到的恒星周年视差，阿里斯塔克推测地球轨道半径与地球到恒星的距离相比是微不足道的。
”
阿里斯塔克的观点太过前卫，且存在“为什么地球上的无体没有抛后”“恒星周年视差”等依靠当时技术无法解决的问题。
不仅仅他的学说没有被当时天文学界接受，甚至本人都被宗教团体诘难。
Figure1托勒密的本轮-均轮体系，成为其后1500年内的真理。
此后一千五百年内宇宙学取得的最为瑰丽的成就，莫过于托勒密的《至大论》。
托勒密继承了希帕克斯的学说与研究成果，并将阿波罗尼的本轮-均轮与偏心圆体系引入，创造了均衡点，将传统的“地心说”转化为了“偏心说”。
站在均衡点上的人，可以发现行星在做匀速圆周运动，而事实上他们相对于地球的速度是变化的。
尽管表面上仍是遵从柏拉图用匀速圆周运动“拯救这些现象”的原则，却违背了这一精神的实质。
托勒密的《至大论》的1-2卷是描述地心体系的基本构造，3-13卷则是在地心体系内讨论诸多天文现象，包括太阳、月球及行星的运动，以及日食、月食的计算方法，恒星和岁差现象。
这部天文学的百科全书对地心体系从理论到实际观测都进行了详尽的数学分析，有着极强的接受能力，“能够较好地容纳望远镜出现之前不断出现的新天文观测，所以一直被作为最好的天文学体系，统治西方天文学界一千多年。
”
古代文明中的宇宙观，与当今科学界所公认的宇宙学说相比，有着难以弥补的差距。
但是，在缺少科学手段的古代，科学家们以高超的智慧和开创精神，提出的所有宇宙学理论，都在人类认识宇宙的历史长河中有着不可替代的地位。
即便是对我们今天而言，古人们的研究方法与思维方式都有值得借鉴之处。
2、从哥白尼到牛顿——近代科学体系中的宇宙观
（1）哥白尼“胆怯的革命”
1543年，近代科学的开山之作——哥白尼的《天体运行论》——终于出版。
尽管哥白尼本人生性怯懦，直到晚年才有胆量将作品交付刊印，但这并不影响他成为科学史上作为科学巨人的身份。
哥白尼的《天体运行论》并非是对希腊科学体系的完全否定，无论是从他的个人履历，还是它所采用的科学理论，从某种角度上都可以说，“哥白尼只是重新倡导希腊人的传统知识”。
Figure2日心说实际上仍是对“拯救现象”的一种解释，坚持了匀速圆周运动。
哥白尼将宇宙的中心置于太阳附近，认为所有的天体都围绕着太阳公转，取消了偏心匀速点，使得整个体系更为简洁、美观，同时也解决了行星的“留和逆行”问题。
将地球之于地月系统的中心，认为还有月球环绕地球运动。
哥白尼通过精确计算认为，日地距离和天穹高度的比远小于地球半径与日地距离的比，因此得出日地距离相较于天穹高度微不足道的结论，很好地解决了恒星周年视差的问题。
在此书中，哥白尼还指出，天穹上呈现的任何形式的运动，并非是天穹本身的运动，而是地球自转与公转共同作用的结果。
这些理论看似极为简洁，哥白尼却进行了相当详尽复杂的数学分析与逻辑论证，显示了他作为“新柏拉图主义者”对于完美的追求，这也为近代科学开创了数理天文学传统。
实际，哥白尼对他的宇宙体系的描述，还不到《天体运行论》的一半篇幅，在剩下的篇幅中，哥白尼运用那令人眼花缭乱的数学公式，试图向人们展示他的宇宙系统，相较于托勒密体系，“它在智识上更加优雅——更加赏心悦目——而且更加经济。
”“就这样在十几个世纪之后，托勒密终于在自己的游戏中失败了。
”
哥白尼革命的意义不仅仅局限于天文学，也不仅仅是人类认识水平上的飞跃，更重要的是引起了西方人价值观念上的转变。
哥白尼之后，伽利略、第谷、开普勒等享誉盛名的科学家们，沿着哥白尼所开创的研究道路，将人类对宇宙的认识，提升到了前所未有的高度，从多个角度证明了哥白尼体系的优越性与正确性。
“假使在他死后150年间没有出现一系列的天才，将他的工作完成，取得他所没有得到的决定性证据，天文学便不会发生伟大的进展，而他的体系也不会流传到今天。
”
（2）牛顿与经典宇宙学
哥白尼革命的完成，最终落在了牛顿肩上。
1687年牛顿刊布了他的不朽巨著《自然哲学的数学原理》，提出了万有引力定律，奠定了天体力学的基础，也创立了以万有引力为核心的经典宇宙观。
牛顿并未提出一种系统的宇宙学理论，他创立的万有引力定律却不可避免地引出了一种观念——宇宙是无边界的，因此也必须是无限大的。
“如果宇宙是有限大的并被宇宙边界包围，那么必然存在一个引力的中心……”牛顿的宇宙在大尺度上是静止的，在均匀的宇宙中，相互间的吸引力都被反作用力抵消，只有在较小的尺度上，万有引力可以使物质聚集并形成天文系统。
同时代的哈雷提出了著名的“哈雷球壳”，借以解决引力之谜，然而在这个系统中，宇宙各点都必须严格满足同向性条件，这个解释显然并不完美。
直到广义相对论出现之前，在牛顿的宇宙法则内，天文学家们都没有很好地解释引力之谜。
牛顿之后的科学家们利用万有引力定律，在牛顿的宇宙模型之中不断发现新的证据，证明了万有引力体系的正确性，并不断进行有益的补充。
这些天文学家与数学家们的工作使得牛顿天体力学渐臻完善，足以说明观测的精确度增加所表现出来的天体运动的一切特点。
法国的克莱罗、莫佩图斯、达朗贝尔、拉格朗日、拉普拉斯、普瓦松、科希的德国的欧拉。
其中最值得赞赏的是拉格朗日与拉普拉斯的工作。
拉格朗日的《分析力学》系统地论述了他对太阳系稳定问题的计算，证明了行星间的相互摄动不会导致太阳系的不稳定而最终解体。
拉普拉斯的《天体力学》将牛顿力学发展到了顶峰，在这部五大册的巨著中，拉普拉斯第一次提出了“天体力学”这一概念，运用牛顿力学体系将诸多天文现象一一解析，进一步肯定了太阳系的稳定性与永恒性，被誉为“天体力学之父”。
拉普拉斯在1796年出版了《世界体系的解说》，在其中推测太阳系起源于一个原始的星云，这便是后来著名的“康德-拉普拉斯星云说”。
在20世纪之前的宇宙学研究中，牛顿天体力学体系成为研究整个宇宙的基本工具，然而，牛顿力学并非完美无缺，在愈来愈深的研究中，牛顿宇宙模型的缺陷愈发地显现出来，宇宙学需要更完美的模型与理论。
三、20世纪宇宙学的发展
1、物理学相关理论对宇宙学发展的影响
（1）天体物理学的发展对宇宙学研究的推动
Figure3赫罗图显示的恒星分类
天体物理学的诞生并不是在20世纪，然而其大发展时期确是在20世纪。
天体分光技术的运用、照相技术与测光技术的发明都在技术上极大地推动了天体物理学的发展，恒星的分光观测与光谱分类研究早在19世纪下半叶就已经有了阶段性成果，这直接推动了“赫罗图”的出现。
赫罗图（Hertzsprung-Russeldiagram，简写为H-Rdiagram）是丹麦天文学家赫茨普龙及由美国天文学家罗素分别于1911年和1913年各自独立提出的（见上图）。
这张图表示恒星的绝对星等与光谱型的分布，巨星分布于图片的右上方，再往上还有一些星，叫做“超巨星”。
大多数星分布于从B型巨星到M型矮星的对角线型“主星序上”，太阳是其中的G型星。
赫罗图对天体物理学研究起到了极大的推动作用，“利用赫罗图从恒星的光谱类型和视星等来确定恒星距离（分光视差）的逆方法，成了确定那些遥远的用三角学方法无法获得恒星距离的有力工具。
”而这种依靠光谱分析法对天体进行研究的方法很快也被宇宙学家用于对整个宇宙的研究。
之后最重要的理论则是恒星坍塌理论，这个理论的最直接来源便是钱德拉赛卡极限，印度天文学家钱德拉塞卡计算得出白矮星的质量上限为1.44倍太阳质量，当恒星大于这个极限，将会坍缩成一种密度极大的状态，甚至是一个点。
尽管爱丁顿和爱因斯坦都宣布反对这个理论，但后来奥本海默利用广义相对论证实了这个理论的可靠性。
说到这里，就不得不提到促进宇宙学发展的另外两个重要的因素——相对论与量子力学。
（2）相对论与量子力学的发展
量子力学的创立实际要早于相对论的提出。
1900年，德国科学家普朗克在《关于正常光谱的能量分布定律的理论》一文中，正式提出了“能量子”的假说，认为能量不是无限可分的，并且能量并不是连续变化的，而是存在跳跃式变化，根据这个假说，他推导出了著名的“普朗克公式”。
普朗克的能量子的假说与牛顿经典物理学中信奉的连续的观念格格不入，当时学界大多数物理学家都持反对态度。
“就连普朗克本人，在一个长的时期内，也对能量子假认识不足而犹豫徘徊甚至持怀疑态度，两次试图退回经典物理学。
”但不管怎样，普朗克提出的量子概念是现代物理学中最重要的概念之一，他第一次把不连续的思想引入了物理学，使得物理学几乎所有领域都发生了根本性变革。
真正对量子概念起到巨大推动作用的是爱因斯坦，爱因斯坦在1905年发表的《关于光的产生与转换化的一个启发性观点》一文中，明确提出了光量子的假说。
他认为，即使在空中传播过程中，辐射也不是连续的，光是具有波粒二象性的物质。
在此之后，德布罗意提出了物质波假说，波尔提出了关于几率波的假说，海森伯创立了矩阵力学，薛定谔创立了波动力学。
在短短二十多年内，量子力学便从初生到蓬勃发展再到形成完整的理论体系，成为了现代物理学的理论基石，也促使的宇宙学开创了从小到极致的粒子研究整个宇宙的的方法。
爱因斯坦1905年将狭义相对论公诸于世，1915又将广义相对论发表。
两个相对论的相似之处在于，二者都从观察者与所发生的事件是一种相对的关系角度来处理问题。
狭义相对论表述了当观察者和事件是以匀速相联系的情形，而广义相对论则关注引力，论述了时间空间与物质的关系，其中讨论的运动物体是变速的。
两个相对论奠定了他的学术地位。
“爱因斯坦当时倒是没有刻意去创立一种关于宇宙的理论，而他的理论却不可避免地引起了宇宙学家们的兴趣，因为爱因斯坦理论导致了那些自牛顿时代以来从未遭受过挑战的基本物理学定律的重写。
”
爱因斯坦的理论直接否定了经典宇宙学中“以太”假说，打破了时空的局限性与分割性，将空间物体的质量、速度与时间、空间相互联系起来，并提出了时空弯曲假设，在引力场中抛弃了惯性系。
尽管爱因斯坦错误地提出了“宇宙常数”作为静态宇宙模型的基础，但这并不妨碍狭义与广义相对论的正确性，之后宇宙学家的几乎所有理论都是基于相对论而提出的。
2、20世纪宇宙学大事件记
（1）银河系之争
直到19世纪末，受限于观测技术和分析方法，人们对银河系的构造只是还相当模糊，自从赫歇尔之后，对银河系的研究便没有大的进步。
当时对恒星距离的分析方法只有三角法与恒星的自行测定。
三角法只能测量少数的近星，分光视差法与造父视差法都还还有待发明，当时能够反映恒星距离的只有自行。
离得近的恒星有较大的自行，这一原则总体上必定是对的。
“如果能够获得足够多的自行资料，那么在统计上可以应用这一原则，来给出一个达到更深空间的测量标杆。
”但巨大的工作量任何一个天文学团体都无法单独完成，天文学家卡普顿试图联合天文学界的举动却被一战打断。
在新的观测计算方法出现之后，宇宙学的发展进入了高速时期。
首先引起学界争论的，便是银河系的结构与大小。
1913年，天文学家赫兹普龙使用仅有的几颗银河造父变星的绝对星等，测定出了大小麦哲伦星云的距离，大约是10kpc。
尽管实际值约为此数的五倍，却开创了一种新的测算方法，况且，以前天文学家从未测量过这样远的距离。
在此背景下，天文学家夏普利开始采用造父视差法探究球状星团的距离。
在我们银河系内的球状星团，多数被发现在银河核心附近，并且在天球上的位置也大多数躺在银河核心周围的天空中。
在1918年，夏普利便是利用这种强烈的不对称性推测星系的总体大小。
他假设球状星团大致分布在银河核心的附近，经由球状星团的位置估计太阳与银河核心的距离。
他得到的结果是银河系的大小约为30万光年，虽然他当时估计的距离有极大的偏误，但依然显示出星系的尺度大于早先的认知。
他的偏误肇因于银河系内的尘埃减少了相当数量抵达地球的球状星团的光度，因而使距离显得更远。
然而，夏普利估计的数值是在相同的数量级内，依然在现在可以接受的数值内。
夏普利的测量同时也指出太阳是在远离银河中心的位置上，反对早先从一般恒星的均匀分布所推导出来的结果。
实际上，散布在银河盘面上的一般恒星经常会因为气体和尘埃的遮蔽而变暗，而球状星团分布在银河盘面之外，即使在更远的距离上仍然能被看见。
而1922年，卡普坦在分析已有的恒星资料后，提出了一个银河系的模型，这个模型相较于赫歇尔的模型已经有了很大的改进，按照这个模型，银河系如同一个扁平的圆盘，中心便是一个恒星团，而太阳，便在这个直径4000光年的星系的中央。
这与夏普利的模型有较大不同，二人发生激烈争执，许多人怀疑夏普利的主张。
1927年卡普坦的最后一个学生奥尔特证明了银河系的自转，他指出太阳及邻近恒星在以270千米/秒的速度，绕着3万光年外的银河系中心，做着周期2亿年的公转。
1930年，银河系的大小终于有了令人信服的解释。
瑞士天文学家汤普勒尔在克里天文台研究银河星团时，“证明了星际空间不是像以前想象的那样完全透明，他们实际到处都有很稀薄的物质。
”这些星际物质有如薄雾，能够吸收较远恒星的光线，使其看起来更远些。
经过星际吸光效应的校正后，汤普勒尔得出太阳到银河系中心的距离是3万光年，同时银河系的直径也缩短到10万光年以下。
（2）河外星系的确认
河外星系是否存在的问题，一直到20世纪20年代后期才得到解决。
实际上，河外星系（如仙女座大星云）早就被观测到了，只是迫于当时的技术水平与测算方法，天文学家们并不知道这些星云状物质便是河外星系，只当是银河系内的某些星云。
1917年，美国天文学家柯蒂斯在旋涡星云中找到许多新星，他假定这些星云中新星的亮度极大时的绝对星等与银河系中的新星一样，由此估算出仙女做大星云的距离为1000万光年，后减为50万光年。
1923-1924年，哈勃通过威尔逊山天文台的100英寸的反射望远镜，在仙女座大星云中找到并确认了一颗造父变星，根据这颗光变周期长达31天的造父变星，哈勃测算仙女座大星云到地球的距离，足有一百万光年。
即便是按照当时夏普利对银河系大小的估计（夏普利估计银河系大约为30万光年），这个星云也远远位于银河系之外。
之后，哈勃在仙女座星云中发现了更多的造父变星，并在三角座M33与人马座星云中再次发现一些造父变星，他定出这三个星云的造父视差，估计出旋涡星云的距离约为285kpc，证明它们远在银河系之外。
同时哈勃得出结论，仙女座星云（此时应该称作仙女座星系了）的直径只有银河系直径的十分之一，体积只有银河系的千分之一。
但哈勃的同事范马宁在更早的时候便有了与哈勃的结果不相容的证据。
他通过比较前后的底片，宣称发现了旋涡星云的自转。
如果星云在短时间内能有察觉得到的自传，那么必定是小且近的，如果它们距离遥远，有着巨大的直径，可想而知，星云外围部分的自转速度将快到难以置信。
这个发现与哈勃的结果格格不入，使得哈勃对自己的结果缺乏信心，直到1925年才经由他人之手发表。
1935年，哈勃通过观测彻底推翻了范马宁的结果，确立了仙女座星系作为河外星系的地位。
但哈勃对这个最大的河外漩涡星系的直径进行测量后，却只得到3万光年这一数字，远小于银河系直径。
即使1930年汤普勒尔关于星际消光的理论被公布，两大星系的直径有所调整，但银河系仍然是最大的旋涡星系。
天文学家对于任何满足人类虚荣心的理论都带着天生的反感，经过不断观测，1952年，侨居美国的德国天文学家巴德给出了新的周光关系，修正了仙女座星系的数据。
仙女座的距离较之前哈勃所观测的90万光年增加了一倍多，为230万光年，其直径也相应加倍，达16万光年左右。
相比之下，银河系如同仙女座星系的小妹妹一般。
在确认了第一个河外星系仙女座大星系之后，哈勃又开始了对星系的分类研究。
1926年，哈勃在论文中发表了他的星系分类法。
他对主要的星系类型——椭圆的、正常旋转和一场旋转的——进行分析。
椭圆星系按照其椭圆度进行排序，涡旋的和棒旋的又被分为几个亚类，按涡旋结构缠绕的紧密度，以及星盘和星棒在星系的恒星分布中的重要性分别标以a、b和c。
1936年，这个分类图最终以“音叉图”的形式呈现（如左图所示）。
“哈勃将这个图看成是星系的演化过程，星系从图左侧的球状椭圆星系开始演化，最后进入旋转星系序列。
这种思考后来被证明是不正确的（实际上椭圆星系要比旋涡星系要古老的多）。
”但哈勃这种星系分类法却被宇宙学家们接受，便不断得到完善，于20世纪50年代基本完成了分类工作。
Figure4哈勃星系分类图
在哈勃进行的工作中，爱因斯坦的相对论已经开始发挥作用了，在接下来的时间里，随着接受并理解相对论的宇宙学家越来越多，相对论开始在现代宇宙学中大放异彩。
（3）宇宙膨胀说的提出
哈勃被誉为“现代宇宙学之父”，并不仅仅在于他对星系的研究，他最大的功绩，却是提出了哈勃定律（也叫红移定律），奠定了现代相对论宇宙学理论的基础。
哈勃在通过分光视差法研究星系运动时，发现仅仅是银河系的三个邻居：
M31（仙女座大星系）、M32（仙女座椭圆星系）、M33（三角星系）是在向与银河系接近的方向运动（蓝移），其他的星系都表现为离开银河系的红移，其中最大的红移值达到了0.12，这意味着这个星系离我们远去的速度达到光速的12%——36000km/s。
到1929年，哈勃已获得24个星系的视向速度与独立的距离测定。
在分析了星系的距离与视向速度之间的关系之后，哈勃提出了著名的“哈勃定律”：
河外星系的视向退行速度与距离成正比，每增加一百万秒差距（1Mpc，约为326万光年），星系的退行速度增加每秒500公里。
哈勃第一次估算给出的这个比值，后来被称为哈勃常数。
哈勃开创性地提出了哈勃定律，为我们推算宇宙年龄提供了新的方法。
根据v=H·d，哈勃常数一定，而根据爱因斯坦相对论，星系的退行速度不可能达到或超过光速，则当我们假定星系退行速度达到最大——也就是光速时，星系的距离达到极限，而这也就是宇宙可能的最远的距离，也就是宇宙的年龄。
因此，哈勃得到的宇宙的最大的距离是20亿光年，也就说明宇宙的年龄不会超过二十亿年，然而这与当时根据同位素算得的地球的年龄46亿年相比，是有相当大的差距的。
这里的差距并不是哈勃定律的问题，而是哈勃常数的问题，哈勃将哈勃常数定为500km/s·Mpc，显然是有很大误差的。
根据2010年NASA对最新观测数
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