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果然，1868年，威廉和玛格丽特·哈金斯夫妇成功地从天狼星的频谱中检测出多普勒频移。天狼星的吸收线几乎与太阳光谱中的那些吸收线相同，区别仅在于每条线的波长增加了0.015%。这可能是因为天狼星正远离地球行进。记住，光发生器远离观察者的运动使得它发出的光看上去具有更长的波长。这种波长的增加通常称为红移，因为红色处在可见光谱的长波长一端。同样，光发生器趋近造成的波长的变短称为蓝移。这两种类型的频移见图59所示。
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图59 3个谱显示出恒星发射的光的视波长是如何依赖于其径向运动的。光谱（a）表示某个既不移近也不远离地球的恒星（例如太阳）的吸收线波长。谱（b）表示一个离地球远去的恒星所发出的吸收线波长具有红移——各线均相同，只是全部向右移。谱（c）表示一个趋近地球的恒星所发出的具有蓝移的吸收线——各线均相同，只是全部向左移。蓝移星趋近我们的速度比红移星退行的速度大，因为蓝移比红移大。
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虽然考虑到爱因斯坦理论，多普勒方程需要修改，但就哈金斯的目标而言，19世纪的版本已足以令人满意。他可以计算出天狼星相对于地球的退行速度。他测得的天狼星发出的光的波长增加了0.015%，因此接收到的波长与标准波长之间的关系是：λr=λ×1.00015。他知道，这里的波速就是光速，因此νw是30万千米/秒。通过重组方程并插入所需数字，他可以证明天狼星的退行速度为45千米/秒：
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威廉·哈金斯，这位一心追求实践天文学的前布店老板，已经证明他可以测量恒星的速度。每颗恒星含有的都是地球上找得到的普通元素（例如钠），它们发射特定的标准波长，但这些波长将因为恒星的径向速度而存在多普勒频移，通过测量这些频移，我们就可以计算出该恒星的速度。他的方法有巨大的潜力，因为任何可见的恒星，或星云，都可以用分光镜来分析，从而测得它的多普勒频移和由此所确定的速度。除了恒星在天空中的自行，现在我们还可以测量其朝向或远离地球的径向速度。
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对于大多数人来说，利用多普勒频移来测量速度是一项陌生的技术，但它确实有效。事实上，它是如此可靠，使得现今警察都采用多普勒频移来确定行车是否超速。警察向接近的汽车发射一束无线电波（光谱中的一种不可见的部分）脉冲，然后检测汽车对它的反射波。返回脉冲被移动物体（例如汽车）有效地反射回来，因此其波长对汽车的速度有一定量的频移。车的速度越快，频移就越大，超速罚款就越高。
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一个高大上的故事诠释了一位天文学家在开车去天文台的路上如何试图利用多普勒效应来瞒过警察。在闯红灯被抓后，这位天文学家争辩道，他看到的交通信号灯是绿色的，因为他向它开过来时出现了蓝移。警官原谅了他闯红灯，但给了他一张超速罚单对他加倍罚款。要实现这样一种夸张的波长偏移，这位天文学家的车速得开到大约2亿千米/时才行。
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到20世纪初，分光仪器已经成为一项成熟的技术，并能够与新建的巨型望远镜和最新的高灵敏度的感光材料实现良好的结合。这种三位一体技术为天文学家提供了一个无与伦比的探索恒星组分及其速度的机会。通过确定特定恒星的大量缺失的波长，天文学家能够确定它的成分，结果发现这些成分竟然主要是氢和氦。接着，通过测量这些谱线的移动，天文学家能够看出，某些恒星正朝着地球运动，而另一些则背离地球远去。它们最慢的以每秒几千米的速度在磨蹭，最快的速度则达到50千米/秒。为了对这个速度有一个直观的认识，我们想象一架飞机能以最快的恒星的速度飞行，那么它跨越大西洋只需几分钟。
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1912年，一名前外交官转行的天文学家将速度测量拓展到未知领域。维斯托·斯里弗成为第一个成功测量星云的多普勒频移的天文学家。他用的是克拉克望远镜，就是那台位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台的24英寸口径的折射望远镜。该望远镜是由帕西瓦尔·洛厄尔资助建造的。洛厄尔是波士顿的一个富裕的贵族，他执着于这样一个信念：火星是智慧生命的家园，因此他急于找到火星文明的证据。斯里弗的兴趣比起洛厄尔要合主流一些，只要可能，他总是将望远镜指向星云。
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斯里弗连续好几个夜晚都对仙女座星云（后来被证实为一个星系）微弱的星光进行拍摄，曝光时间长达40小时，测得的多普勒蓝移相当于300千米/秒，比任何恒星快6倍。1912年，大多数人的意见是仙女座位于我们自己的银河系内，因此天文学家无法相信这样一个局地对象会有这么高的速度。甚至连斯里弗自己都怀疑测量是不是有什么问题，他反复检查，没发现犯什么错误。于是他又将他的望远镜对准了现称为草帽星系的星云。这时他发现，这个星云表现出红移，而不是蓝移，而且多普勒效应甚至更加极端。草帽星系的红移量大到这样一个程度，由此推算出的它飞离地球的速度达到1000千米/秒。这个速度几乎接近光速的1%。如果飞机能飞得这么快，那它从伦敦飞往纽约只需6秒。
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在接下来的几年中，斯里弗测得了越来越多的星系的速度，而且很显然，它们都以惊人的高速度飞行。然而，一个新的难题开始显现。前两次测量的数据表明，一个星系正在趋近（蓝移），而另一个星系则在退行（红移），而且前十几次测量的结果表明，退行的星系要比趋近的星系多得多。到1917年，斯里弗已经测得了25个星系，其中有21个退行，只有4个是正在趋近。在接下来的10年里，又有20多个星系被添加到列表中，每个星系里的单个恒星都在后退。几乎所有的星系似乎是比着远离银河系，仿佛我们银河系有宇宙狐臭似的不招人待见。
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一些天文学家曾预计，星系大致是静止的，实际上它们是漂浮在虚空中。但现在来看显然不是这样。另一些人则认为，它们的速度分布总体上是平衡的，有些趋近，另一些退行。但实际情形似乎并非如此。星系都有一个明显的退行而不是趋近的倾向这一点与所有的预期相冲突。斯里弗和其他人试图对正在显现的这一图像做出说明。各种怪异和奇妙的解释纷纷出笼，但没有一个能达成共识。
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星系退行的谜团直到埃德温·哈勃运用他的头脑和望远镜到这个问题上后才有了起色。当他进入这场争论时，他并不看好各种理论，特别是当强大的威尔逊山的100英寸望远镜的威力使新数据的可信性得到保证后就更是如此。他的口头禅很简单：“除非实证结果已经穷尽，否则我们不需要借助于思辨的梦幻般玄想。”
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不久哈勃就做出了一项重要观察。这项观察结果让天文学家心悦诚服地将斯里弗的测量结果嵌入到新的宇宙统一模式中。哈勃不知不觉地为支持勒迈特和弗里德曼的宇宙创生模型提供了第一个重大证据。
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哈勃定律
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在测量了星云的距离并证明其中许多是独立星系多年后，埃德温·哈勃在天文学世界里再次展现了自己的权威。与此同时，他的个人生活也发生了重大变化——他见到并爱上了格蕾丝·伯克，一位当地百万富翁银行家的女儿。据格蕾丝所言，她是在参观了威尔逊山时迷恋上哈勃的。当时她看见他正目不转睛地盯着一张显示恒星星场的底片看。后来，她还记得当时的情形，他看起来就像“一个奥运选手，高大、强壮、英俊，有着一副普拉克西特列斯[8]的赫尔墨斯的肩膀……感觉有一股力量，一种在历险途中寻找出路和方向的力量，而且这种历险与个人的抱负和它带来的焦虑以及内心缺乏平静都没有关系。我竭力集中注意力，但还是会走神，这种力量总算得到了控制。”
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当格蕾丝第一次见到哈勃时她已经结婚，但自1921年她丈夫厄尔·莱布去世后就一直寡居。莱布是一位地质学家，在一次收集矿物样品时不慎从竖井摔了下去，失去了生命。经过一段时间的交往和热恋，哈勃与格蕾丝于1924年2月26日结婚。
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由于哈勃终结了大辩论以及随后的宣传，哈勃和格蕾丝发现他们依然名列名人榜。威尔逊山距离洛杉矶仅25千米，于是他们成为好莱坞社交圈的常客。哈勃与许多大牌明星一起吃过饭，例如像道格拉斯·费尔班克斯，并与伊戈尔·斯特拉文斯基之辈有过交往。而一些著名的艺人，如莱斯利·霍华德和科尔·波特等，则到访过威尔逊山，使天文台增添了一份迷人的魅力。
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哈勃沉迷于他的作为世界上最著名的天文学家的偶像地位，他喜欢对来宾、学生和记者侃侃而谈，叙述他过去的多姿多彩的故事。由于年轻时在他父亲的支配下压抑太久，哈勃现在变得喜欢向崇拜的公众炫耀。比如，他经常会诉说他在欧洲时是如何用剑决斗的故事。他的朋友们喜欢听这个故事，但是当他父亲听到他决斗的战功后，却一味地责备他，并提醒哈勃“那道决斗留下的疤痕绝不是什么荣誉徽章”。
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尽管他有名气，享受着名人的生活方式，但哈勃从来没有忘记自己首先是一个开创性的天文学家。他认为自己是一个站在巨人肩膀上的巨人，是哥白尼、伽利略和赫歇尔曾拥有的王位的自然继承者。在意大利度蜜月时，他甚至带着格蕾丝去凭吊了伽利略的墓。他深知是伽利略的工作为他自己的伟大发现提供了基础。
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自然，当哈勃听说了斯里弗在测量红移星系方面的优势后，他觉得有必要半路杀入来解决其中的奥秘。他认为搞清楚星系退行的原因是他作为当代最伟大的天文学家的职责。他在威尔逊山上开展了这项工作，那里有100英寸的望远镜，集光能力是斯里弗的洛厄尔天文台的望远镜的17倍。他夜复一夜地几乎连续不断地在黑暗中工作，这让他的眼睛对夜空的黑暗变得敏感。唯一被允许打破这硕大的天文台圆顶内单调的黑暗的光亮，就是他的石楠木烟斗偶尔闪现的温柔的光芒。
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哈勃的助理是米尔顿·赫马森，这位出身卑微的天文学家已经跃升成为世界上最好的天文摄影师。赫马森14岁时辍学，随后便在威尔逊山酒店担任服务员。这家酒店为来访的天文学家提供食宿。随后，他被任命为天文台驴队的赶脚，帮助将食品饮料和装备运送到山顶。接下来他在天文台获得了作为看门人的工作，每天晚上他没事就去学习天文学家是怎样使用照相技术的。日积月累，他便掌握了越来越多的关于天文摄影的技巧。他甚至说服一个学生给他辅导数学。这样，经过口口相传，大家都知道威尔逊山上有一个神奇的看门人。他的天文知识增长得非常快，在加入天文台的3年内，他便被任命为照相师。两年后，他成为了一名完全成熟的助理天文学家。
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哈勃看上了赫马森，两个人结成了一种在外界看来不太可能的合作伙伴关系。哈勃仍是一副杰出的英国绅士的派头，而赫马森在阴天的晚上便去打牌喝酒，喝的是那种非法酒精兑的称为黑豹汁的烈性酒。他们的关系全赖于哈勃的信念：“天文学的历史上就是一部后退的视野的历史”，赫马森能够提供让哈勃比世界上其他任何人都更能看透宇宙的图像。赫马森在拍摄星系时，他的手指始终控制着望远镜的按钮，以保持星系固定在视场内，并随时补偿跟踪机构带来的任何误差。哈勃非常钦佩赫马森的耐心和细致周到。
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为了探索斯里弗的红移之谜，两人对工作做了分工。赫马森测量众多星系的多普勒频移，哈勃着手测量它们的距离。该望远镜已配上新的照相机和分光仪，使得以前需要曝光几个晚上的照片现在可以在短短几个小时内完成。他们开始确认斯里弗最先观测过的星系红移。到1929年，哈勃和赫马森已经测量了46个星系的红移和距离。不幸的是，这些测量结果中有一半的误差边际显得太大。为谨慎起见，哈勃只用那些他有信心的星系测量结果。他将每个星系的速度与距离关系绘制在一张图上，如图60所示。
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几乎在所有情况下，星系都显示出红移，这意味着它们在退行。另外，图上的点似乎表明，星系的速度强烈依赖于它到地球的距离。哈勃画了一条通过数据的直线，它表明一个给定的星系的速度正比于它到地球的距离。换句话说，如果一个星系比另一个星系远两倍，那么它退行的速度大致也是两倍。如果一个星系与我们的距离有3倍远，那么它飞离我们的速度也要快3倍。