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20世纪之前，人们并不知道宇宙正在扩张。当爱德温·哈勃率先凝视天空时，人们还一无所知。哈罗·沙普利（Harlow Shapley）首先测得银河系的尺度为30万光年，但他很确信银河系就是宇宙的唯一。到了20世纪20年代，哈勃发现了一些星云，沙普利认为它们是由尘埃组成的云团（因此有了“星云”这个平凡之名），事实上它们却是星系，不过是在几百万光年之外。
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在确认了这些星系之后，哈勃作出了他的第二个惊人发现——宇宙正在膨胀。1929年，他观测到星系的红移，也就是说这里存在一个多普勒效应，距离越远的物体，其光波会向波长越长的方向移动。红移现象证明了星系在远离我们而去，这与救护车远离我们时，它尖锐的警报声频率降低的效果类似（见图19-2）。哈勃所确认的星系相对我们的位置不是静止的，而是都朝着远离我们的方向运动。这是一个证明我们的宇宙在膨胀的证据，在此情况下，星系之间的距离越来越大。
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图19-2 从远离我们的物体传来的光线，光的频率变低或者说光谱向红端移动；而从靠近我们的物体传来的光线[73] ，光的频率变高或者说蓝移（blue shift）。这与从一个警报器传来的响声相似——当救护车离开时音高变低，而当它靠近时音高变高。
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宇宙的膨胀与我们可能首先想到的图像是不同的，因为宇宙并不是在原本就存在的空间中扩展。宇宙就是所有的存在。没有任何东西可以让宇宙在其里面膨胀，宇宙与空间本身一起膨胀。随着时间流逝，它里面的任意两点分离得越来越远。其他星系远离我们而去，但是我们的位置并不特殊，它也会移动，与其他星系彼此远离。
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想象宇宙是一个气球的表面。假设你在气球表面标记两点。随着气球胀大，表面拉伸开来，这两点也随之远离（见图19-3）。事实上，当宇宙膨胀时，其中任意两点的情况与此相似。两点或者说两个星系之间的距离增加。
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图19-3 “气球宇宙”展现了当气球膨胀时，气球上的标记点如何彼此远离。
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注意，在我们的类比中，气球上的点并不会扩大，只是它们之间的距离会增大。这也是膨胀宇宙中的情景 。例如，原子是由电磁力紧紧约束而成的，它们不会变得更大。相对密集的紧紧束缚在一起的结构（如星系）也是一样。驱使宇宙膨胀的作用也施加在它们身上，但是因为其他作用的效力还在，星系本身没有随着宇宙的膨胀而增长。它们经受很强的吸引力，因此其尺度会保持不变，而相互之间的距离越来越大。
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当然气球的类比不够完美，因为宇宙有三个空间维度，而不是两个。并且，宇宙很大而且可能无穷大，而不像气球很小而且表面是弯曲的。最重要的是，气球处于宇宙中并且气球向外扩展的空间已经存在。而宇宙不同，它充满了空间，并不在已经存在的东西内部扩展。尽管有此区别，气球表面是空间扩展的一个很好的示意，特别是每一个点同时彼此远离。
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气球的类比（现在指的是其内部）也对理解宇宙如何从初始的一团炽热火球冷凝下来很有帮助。想象一下一个极端炽热的气球，假如你允许它膨胀到一个很大的尺度。虽然开始它可能太烫很难握在手中，但是一旦膨胀，它里面的气体就会变凉，不久之后再触碰它就不难了。大爆炸理论预言：最初炽热、致密的宇宙不断膨胀，因而同时它也不断地冷却了下来。
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事实上，爱因斯坦曾经从广义相对论方程推导出宇宙正在膨胀这个结论。然而，那时没有人能测量到宇宙的膨胀，因此他本人也不相信这个预测。爱因斯坦引入一种新的能量来源，试图修改他的理论以给出静态宇宙。在哈勃的测量之后，爱因斯坦放弃了他开始所做的这种修正，并称之为“他最大的错误”。然而这种修正并非完全错误。我们将很快看到最近有测量显示，爱因斯坦所增加的宇宙学常数项事实上对最近的观测很有必要，尽管所测量到的对近来确认的加速膨胀负有责任的数值，比爱因斯坦所提的数字大了一个数量级。
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宇宙膨胀是一个“自上而下”与“自下而上”两种物理方法汇合的很好例子。爱因斯坦的引力理论预示了宇宙的膨胀，然而只有当膨胀被发现了，物理学家才确信他们的研究步入正轨。
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今天我们将决定当前宇宙膨胀速度的一个数值定义为哈勃常数（Hubble constant）。从“空间任何一个部分的膨胀都相同”这个意义上讲，它确实是一个常数。然而，哈勃这个参数却不是时间的常数。在更早时期，当宇宙还是炽热、致密的状态时，它膨胀的速度快得多。
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精确测量哈勃常数是很困难的，因为我们面临的是前面提到的将过去和现在的纠缠解开的问题。我们需要知道红移的星系有多远，因为红移量依赖于哈勃参数与距离。测量的不精确是本章开头所提的宇宙年龄相差了两倍的原因。如果哈勃参数测量相差两倍，那么宇宙年龄也一样会差两倍。
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这个矛盾现在基本已经解决了。哈勃参数已经由史密松森天体物理台（SAO）的温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）与她的同事以及其他人测量，膨胀速度对100万光年以外的星系来说大约是每秒22公里。基于这个数值，我们现在知道宇宙的年龄大约是137.5亿年，上下可能有2亿年的误差，但绝对不会相差两倍。虽然这听起来可能还是有许多不确定性，但这个范围对于我们目前的理解来说已经小到不会造成什么太大的差别了。
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另外两个关键的观测与预测相符得很好，进而确定了大爆炸理论。一种测量依赖于粒子物理学和广义相对论，进而成为这两种理论的确据，即宇宙中各种元素的密度，比如氦和锂。大爆炸预言的这些元素的数量与测量相一致。在某种意义上来说，这是间接证据，需要用基于核物理和宇宙学的具体计算来给出这些数值。即使如此，除非物理学家和天文学家已经走在正确的道路上，各种不同元素的丰度在理论和测量上的一致性并不太可能只是一种巧合。
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1964年，美国的罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）与出生于德国的阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）偶然发现了2.7K微波背景辐射，后来证实了大爆炸理论。从温度的角度来看，没有什么东西比绝对零度还冷，即开尔文单位制的0度。宇宙辐射温度比绝对零度高了不到3K。
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威尔逊与彭齐亚斯的合作与冒险（因此他们在1978年获得了诺贝尔奖），是科学与技术琴瑟和鸣取得举世瞩目成就的一个实例。回到AT&T还是电信寡头的年代，AT&T做了一件了不起的事情——创建贝尔实验室，它为纯理论与应用的并肩发展提供了一个卓越的研究环境。
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作为电子技术方面的极客，颇具远见的威尔逊与彭齐亚斯，都在贝尔实验室工作过，他们一起使用和完善了射电望远镜。威尔逊与彭齐亚斯都对科学与技术感兴趣，而AT&T也对通信业有着相当的兴趣，天空中的射电波对每一个相关的人来说，都很重要。
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在追寻射电天文学的一个具体目标时，威尔逊与彭齐亚斯发现了他们起初无法解释，并认为神秘的讨厌东西。它看似一种均匀的背景噪声——本质上是静态的。它不是从太阳来的，也与之前的核实验无关。他们尝试了每一种他们能想到的解释方法，包括著名的鸽子粪，耗时9个月，努力找寻答案。在考虑了所有可以想象的可能性之后，清理了鸽子粪（或者彭齐亚斯所称的“白色介电材料”），甚至射杀了鸽子之后，噪声依然存在。
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威尔逊告诉我他们有多幸运，巧就巧在他们发现的时间点。他们并不知道大爆炸理论，但是普林斯顿大学的罗伯特·迪克（Robert Dicke）与吉姆·皮泊斯（Jim Peebles）却知道。那里的物理学家刚刚意识到该理论的一个弦外之音就是，它将产生一个微波波段的辐射的残余。这些物理学家正试图设计一个实验来测量这个辐射，而他们却发现该辐射已经被发布了——贝尔实验室的科学家已经找到了它，只是还不知道发现的是什么。威尔逊与彭齐亚斯很走运，威尔逊对我说，麻省理工学院的天文学家伯尼·伯克（Bernie Burke）就像那个时代的网络，既知道普林斯顿的研究，又知道威尔逊与彭齐亚斯的发现。伯克把两者结合起来，使得相关的科研人员之间取得了联系并带来了丰硕的成果。
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这也是一个科学采取行动的成功案例。研究本身是出于具体的科学目的，而该目的也带来了额外的技术和科学成就。天文学家并没有在寻找他们所发现的东西，但是其技术和科学技能娴熟。当发现新东西时，他们知道不能错过它。虽然开始寻求的是小现象的研究，但是结果却导致了有着深刻内涵的巨大发现，他们能有所发现是因为他们与其他人都同时在思考一幅大图景。虽然贝尔实验室科学家的发现是偶然的，但它却永远改变了宇宙学的进程。
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宇宙辐射被证明是一个非常强大的工具，不仅证实了大爆炸理论，同时也将宇宙学转变成了一门具体的科学 。宇宙微波背景（cosmic microwave background, CMB）辐射为我们提供了一种观测过去的不同方法，它不同于传统天文学测量的方法。
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