如果在一個清澈的、無月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星體最可能是金星、火星、木星和土星這幾顆行星，還有巨大數目的類似太陽、但離開我們遠得多的恆星。事實上，當地球繞著太陽公轉時，某些固定的恆星相互之間的位置確實起了非常微小的變化——它們不是真正固定不動的——這是因為它們距離我們相對靠近一些。當地球繞著太陽公轉時，相對於更遠處的恆星的背景，我們從不同的位置觀測它們。這是幸運的，因為它使我們能直接測量這些恆星離開我們的距離，它們離我們越近，就顯得移動得越多。最近的恆星叫做普羅希馬半人馬座，它離我們大約四光年那麼遠（從它發出的光大約花四年才能到達地球），也就是大約二十三萬億英哩的距離。大部分其他可用肉眼看到的恆星離開我們的距離均在幾百光年之內。與之相比，我們太陽僅僅在八光分那麼遠！可見的恆星散佈在整個夜空，但是特別集中在一條稱為銀河的帶上。遠在公元一七五○年，就有些天文學家建議，如果大部分可見的恆星處在一個單獨的碟狀的結構中，則銀河的外觀可以得到解釋。碟狀結構的一個例子，便是今天我們叫做螺旋星系的東西。只有在幾十年之後，天文學家威廉．赫歇爾爵士才非常精心地對大量的恆星的位置和距離進行編目分類，從而證實了自己的觀念。即便如此，這個思想在二十世紀初才完全被人們接受。
一九二四年，我們現代的宇宙圖象才被奠定。那是因為美國天文學家埃得溫．哈勃證明了，我們的星系不是唯一的星系。事實上，還存在許多其他的星系，在它們之間是巨大的空虛的太空。為了證明這些，他必須確定這些星系的距離。這些星系是如此之遙遠，不像鄰近的恆星那樣，它們確實顯得是固定不動的。所以哈勃被迫用間接的手段去測量這些距離。眾所周知，恆星的表觀亮度決定於兩個因素：多少光被輻射出來（它的絕對星等）以及它離我們多遠。對於近處的恆星，我們可以測量其表觀亮度和距離，這樣我們可以算出它的絕對亮度。相反，如果我們知道其他星系中恆星的絕對亮度，我們可用測量它們的表觀亮度的方法來算出它們的距離。哈勃注意到，當某些類型的恆星近到足夠能被我們測量時，它們有相同的絕對光度；所以他提出，如果我們在其他星系找出這樣的恆星，我們可以假定它們有同樣的絕對光度——這樣就可計算出那個星系的距離。如果我們能對同一星系中的許多恆星這樣做，並且計算結果總是給出相同的距離，則我們對自己的估計就會有相當的信賴度。
埃得溫．哈勃用上述方法算出了九個不同星系的距離。現在我們知道，我們的星系只是用現代望遠鏡可以看到的幾千億個星系中的一個，每個星系本身都包含有幾千億顆恆星。圖三．一所示的便是一個螺旋星系的圖，從生活在其他星系中的人來看我們的星系，想必也是類似這個樣子。我們生活在一個寬約為十萬光年並慢慢旋轉著的星系中；在它的螺旋臂上的恆星繞著它的中心公轉一圈大約花幾億年。我們的太陽只不過是一個平常的、平均大小的、黃色的恆星，它靠近在一個螺旋臂的內邊緣。我們離開亞里士多德和托勒密的觀念肯定是相當遙遠了，那時我們認為地球是宇宙的中心！圖三．一
恆星離開我們是如此之遠，以致使我們只能看到極小的光點，而看不到它們的大小和形狀。這樣怎麼能區分不同的恆星種類呢？對於絕大多數的恆星，只有一個特徵可供觀測——光的顏色。牛頓發現，如果太陽光通過一個稱為稜鏡的三角形狀的玻璃塊，就會被分解成像彩虹一樣的分顏色（它的光譜）。將一個望遠鏡聚焦在一個單獨的恆星或星繫上，人們就可類似地觀察到從這恆星或星系來的光譜線。不同的恆星具有不同的光譜，但是不同顏色的相對亮度總是剛好和一個紅熱的物體發出的光譜完全一致。（實際上，從一個不透明的灼熱的物體發出的光，有一個只依賴於它的溫度的特徵光譜——熱譜。這意味著可以從恆星的光譜得知它的溫度。）並且，我們發現，某些非常特定的顏色在恆星光譜裡找不到，這些失去的譜線可以因不同的恆星而異。既然我們知道，每一化學元素都有非常獨特的吸收光譜線族，將它們和恆星光譜中失去的譜線相比較，我們就可以準確地確定恆星大氣中存在什麼元素。
在二十年代天文學家開始觀察其他星系中的恆星光譜時，他們發現了最奇異的現象：它們和我們的銀河系一樣具有吸收的特徵線族，只是所有這些線族都向光譜的紅端移動了同樣相對的量。為了理解這個含意，我們必須先理解多普勒效應。我們已經知道，可見光即是電磁場的起伏或波動，其頻率（或每秒的振動數）高達四到七百萬億次的振動。對不同頻率的光，人的眼睛看起來為不同顏色，最低的頻率出現在光譜的紅端，而最高頻率在藍端。想像在離開我們一個固定的距離處有一光源——例如恆星——以固定的頻率發出光波，顯然我們接受到的波頻率和發出時的頻率一樣（星系的引力場沒有足夠強到對它有明顯的效應）。現在假定這恆星光源開始向我們運動，當光源發出第二個波峰時，它離開我們更近一些，這樣此波峰到達我們處所用的時間比恆星不動時要少。這意味著，這兩個波峰到達我們的時間間隔變小了，所以我們接收到的波的每秒振動數（頻率）比恆星靜止時高。同樣，如果光源離我們而去，我們接收到的波頻率就變低了。所以對於光來說，這意味著，當恆星離開我們而去時，它們的光譜向紅端移動（紅移）；而當恆星靠近我們而來時，光譜則藍移。這個稱之為多普勒效應的頻率和速度的關係是我們日常所熟悉的，例如我們聽路上來往小汽車的聲音：當它開過來時，它的發動機的音調變高（對應於聲波的高頻率）；當它通過我們身邊而離開時，它的音調變低。光波或無線電波的行為與之類似。警察就是利用多普勒效應的原理，以無線電波脈沖從車上反射回來的頻率來測量車速。
在哈勃證明了其他星系存在之後的幾年裡，他花時間為它們的距離以及觀察到的光譜分類。那時候大部份人相信，這些星系的運動相當紊亂，所以預料會發現和紅移光譜一樣多的藍移光譜。但是，十分令人驚異的是，他發現大部份星系是紅移的——幾乎所有都遠離我們而去！更驚異的是一九二九年哈勃發表的結果：甚至星系紅移的大小也不是雜亂無章的，而是和星系離開我們的距離成正比。換句話講，星系越遠，則它離開我們運動得越快！這表明宇宙不可能像原先人們所想像的那樣處於靜態，而實際上是在膨脹；不同星系之間的距離一直在增加著。
宇宙膨脹的發現是二十世紀最偉大的智慧革命之一。事後想起來，何以過去從來沒有人想到這一點？！牛頓或其他人應該會意識到，靜態的宇宙在引力的影響下會很快開始收縮。然而現在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得相當慢，引力會使之最終停止膨脹，然後開始收縮。但是，如果它膨脹得比某一臨界速率更快，引力則永遠不足夠強而使其膨脹停止，宇宙就永遠繼續膨脹下去。這有點像一個人在地球表面引燃火箭上天時發生的情形，如果火箭的速度相當慢，引力將最終使之停止並折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一臨界值（大約每秒七英哩）更高的速度，引力的強度不足以將其拉回，所以它將繼續永遠飛離地球。十九世紀、十八世紀甚至十七世紀晚期的任何時候，人們都可以從牛頓的引力論預言出宇宙的這個行為。然而，靜態宇宙的信念是如此之強，以至於一直維持到了二十世紀的早期。甚至愛因斯坦於一九一五年發表其廣義相對論時，還是如此之肯定宇宙必須是靜態的，以使得他在其方程中不得不引進一個所謂的宇宙常數來修正自己的理論，使靜態的宇宙成為可能。愛因斯坦引入一個新的「反引力」，這力不像其他的力那樣，不發源於任何特別的源，而是空間—時間結構所固有的。他宣稱，空間—時間有一內在的膨脹的趨向，這可以用來剛好去平衡宇宙間所有物質的相互吸引，結果使宇宙成為靜態的。當愛因斯坦和其他物理學家正在想方設法避免廣義相對論的非靜態宇宙的預言時，看來只有一個人，即俄國物理學家和數學家亞歷山大．弗利德曼願意只用廣義相對論著手解釋它。
弗利德曼對於宇宙作了兩個非常簡單的假定：我們不論往哪個方向看，也不論在任何地方進行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗利德曼指出，僅僅從這兩個觀念出發，我們就應該預料宇宙不是靜態的。事實上，弗利德曼在一九二二年所做的預言，正是幾年之後埃得溫．哈勃所觀察到的結果。
很清楚，關於在任何方向上宇宙都顯得是一樣的假設實際上是不對的。例如，正如我們所看到的，我們星系中的其他恆星形成了橫貫夜空的叫做銀河系的光帶。但是如果看得更遠，星系數目就或多或少顯得是同樣的。所以假定我們在比星系間距離更大的尺度下來觀察，而不管在小尺度下的差異，則宇宙確實在所有的方向看起來是大致一樣的。在很長的時間裡，這為弗利德曼的假設——作為實際宇宙的粗糙近似提供了充分的證實。但是，近世出現的一樁幸運