宇宙學的基本理論之一——宇宙膨脹
這張資料圖為我們展示了宇宙中部分割槽域內星系的紅移資料，藍色的星系距離我們是最近的，紅色則代表更遠的距離
地球，太陽系，包括整個銀河系和離我們最近的幾千個星系，都在一個直徑為2.5億光年的巨大“泡泡”結構中執行。我們看似巨大的結構在宇宙中只是微不足道的一粒沙塵，宇宙中還有很多類似的巨大結構，組成了可觀測宇宙，而可觀測宇宙又是整個宇宙的一個小小的斑點。宇宙巨大到無法想象，不過對於天文學家來說，比宇宙的大小更令人難以琢磨是宇宙的膨脹演化和宇宙的未來。
自138億年前，宇宙經歷大爆炸誕生以來，它就一直在膨脹，這一理論最初是由比利時的喬治·勒邁特提出的，而埃德溫·哈勃則首先證明了這一觀點。天文學家在1929年就發現，每個星系都在遠離我們，這也表明過去有一段時間所有星系都位於同一地點，這個時間對應的就是宇宙的起源，也就是大爆炸。
以葡萄乾為星系，宇宙為麵包，麵包本身膨脹，葡萄乾其實是沒有運動的。葡萄乾麵包和氣球上的螞蟻等例子是解釋宇宙膨脹理論的經典舉例
宇宙膨脹還意味著，無論我們身處哪個星系，其他的星系都在遠離我們，也就是說星系並沒有在太空中移動，而是在宇宙空間本身在擴大。換句話說，宇宙沒有中心，一切都在遠離其他的一切。聽起來好像很矛盾，我們可以想象在一個1000萬光年之內有一個星系的空間參考系網格，網格的對角有兩個星系，那麼經過足夠的時間後，該網格將伸展，星系將離得更遠，如果時間足夠，這兩個星系之間的距離將是無限的。
天文學家們為了解釋宇宙膨脹，還拿了一塊葡萄乾麵包。我們可以想象宇宙是這個葡萄乾麵包本體，隨著麵包自己在膨脹，在裡面的葡萄乾的距離越來越遠，但是值得注意的是，葡萄乾，也就是這些星系仍然停留在麵糰中，星系自己其實沒有動。回到宇宙當中，星系（葡萄乾）可能會在某一時刻消失，我們再也看不到了，因為宇宙膨脹的速度如此之快，以至於它們的光從未到達過地球。
這幅圖展示了天文學家如何計算哈勃常數。首先我們將尋找較短距離內的造父變星，然後在與遠處星系的造父變星進行比較，計算距離亮度
伴隨宇宙膨脹而來的哈勃常數確實，宇宙一直在膨脹，但是宇宙膨脹的有多快呢？說到這裡，我們要說的一個理論名為哈勃常數，哈勃常數其實就是用來計算宇宙隨時間膨脹的速度。天文學家自2005年以來一直在用哈勃望遠鏡探索並細化這些距離測量，測量之後天文學家們還需要對哈勃常數進行微調。在最新的研究中，天文學家使用哈勃望遠鏡觀察了大麥哲倫星雲中的70顆造父變星的光度變化，測試的結果使天文學家們對哈勃常數的不確定度從早期估計的2.2%降低到了1.9%。
研究人員利用所有這些資訊計算現代宇宙的膨脹率，新的數值是每326萬光年範圍內，宇宙每秒膨脹74.03公里。天文學家之後對數值進行了多次計算，這個數字的不確定性，也就是錯誤率僅為1.9％。這是迄今為止計算得出的最低的宇宙膨脹錯誤率值，低於2001年的10％和2009年的5％。相比之下，天文學家預期估算的擴充套件速率約為每326萬光年範圍內，宇宙每秒膨脹67.40千米。
這是天文學家記錄的哈勃常數的資料變化統計圖，我們可以看到首次記錄是1920年，從現代天文望遠鏡開始觀測以來，人類計算哈勃常數的次數也越來越多了
測量哈勃常數比較困難的是如何可靠地測量星系的距離，哈勃望遠鏡是通過觀察被稱為造父變星的單個恆星來測量星系與星系之間的距離。天文學家Henrietta Swan Leavitt在20世紀初就發現這些恆星的實際亮度是可以預測的，因此，通過測量並預測恆星的亮度，就可以計算出星系與星系的距離。
不過現在天文學家一直在努力尋找比造父變星更好的參考物，因為造父變星一般都被星塵包裹，這些因素可能會使亮度的估計值失真。所以最近的天文學家已經把膨脹的紅巨星和超新星爆炸結構用作標準參考物，這些參考物將作為未來確定哈勃常數的最主要的參考物。
天文學家在調查了300個星系的光譜之後，繪製了這張紅移資料圖
如何證明宇宙膨脹理論——紅移是證據之一在一開始，宇宙膨脹就和黑洞一樣虛無縹緲，沒有理論模型，更沒有什麼實際觀測資料，天文學界都認為宇宙是恆定不變的。但是在1929年，在望遠鏡的幫助下，哈勃開始注意到由於多普勒效應，這些星系發出的光向紅色光譜端偏移了一點，這種效應也被稱為紅移，這就表明星系正在遠離我們。在詳細分析了造父變星的恆星紅移現象之後，天文學家們就以這些參考物為距離做標記測量了星系與星系之間的距離。星系與星團之間都在彼此遠離，因此，宇宙的大小必定會不斷增長。所以紅移也是證明宇宙正在膨脹的直接證據之一，另外由於紅移，我們看到的所有星系都略帶有紅色光譜。
這種膨脹，天文學家也會稱之為空間的指數級擴張，星系本身不被擴大，但星系與星系之間的距離卻越來越遠，所以理論上未來在我們的天空中，星系將會越來越少，不過這至少是幾百億年之後的事情了。現在看來，宇宙不僅會永遠膨脹，而且其膨脹速度將繼續越來越快。那麼，是什麼導致了這種膨脹，膨脹的能量或者說某種力量是從何而來的呢？
宇宙膨脹的原因如果觀測者和恆星相互遠離，來自遙遠星系的光將向紅色光譜端移動（左圖）。相反的效應，當天體互相靠近時，就會出現藍移效應（右圖）。
宇宙學家認為這也許是因為慣性。慣性其實就是物體保持原來運動狀態的一種特性，而品質是慣性的唯一參考標準。宇宙學家認為是宇宙大爆炸的慣性，導致宇宙不斷膨脹。我們知道萬物其實都有慣性，而品質是唯一決定慣性大小的值，如果把慣性應用於大爆炸也許我們可以推測宇宙大爆炸帶來的慣性。現代宇宙學模型之一，宇宙大爆炸之前的狀態是一種名為奇點的狀態，沒有人知道奇點的品質，也就是說最重要的參考標準是未知的。
宇宙大爆炸的慣性是宇宙膨脹的原因，那為什麼宇宙膨脹的速度會越來越快呢？其實宇宙大爆炸的慣性只是原因之一，因為這其中還牽涉了暗能量與暗物質。這是兩種我們知之甚少的特別的物質，是重子物質（可以看到的天體）嗎？是可以測量的物質嗎？目前測量不了，從粒子對撞實驗與理論模型實驗中我們只知道暗物質與暗能量是一種我們完全不了解的某種粒子態……
最左邊代表的是大爆炸時刻。在接下來的十幾億年裡，宇宙中的物質通過引力彼此吸引，宇宙膨脹的速度逐漸放緩。但是到了現代宇宙，隨著暗能量的某種排斥力開始主導宇宙膨脹的過程，宇宙膨脹的速度也越來越快了
暗物質與暗能量就好像是空間的本質，它們在宇宙中的佔比超過96%，所有看到的重子物質才只有不到5%的佔比，暗物質與暗能量可以說是無處不在。現代天文觀測已證實，暗物質與暗能量可以影響一些星系，甚至是宇宙中一些超巨大結構的執行。比如銀河系和仙女座星系相撞可能就是暗物質暗能量“操作”的。那暗物質與暗能量既然是空間的本質，宇宙的本質也是廣袤的空間，所以宇宙學家推測暗物質與暗能量也可以使宇宙膨脹，甚至讓宇宙膨脹的更快，這也許就是宇宙為什麼不斷加速膨脹的原因。
隨著多元宇宙理論與希爾伯特空間理論的不斷完善，我們的宇宙為什麼加速膨脹也有了新的理論解釋。多元宇宙理論模型指出，宇宙大爆炸之前的空間也被稱為一種希爾伯特空間中的假真空狀態，假真空環境中的奇點或者其本身會衰變，就像是粒子衰變那樣。假真空環境的衰變觸發了大爆炸，也會使大爆炸之後的宇宙膨脹的速度更快。
遙遠的真理與不斷進步的科學天文學家現在還在不斷通過觀測資料研究宇宙膨脹的一些基本問題，通過觀測研究宇宙膨脹，天文學家可以了解宇宙演化的歷史與宇宙未來的命運。宇宙不斷膨脹下去，命運就是面臨撕裂的結局，宇宙將陷入冷寂，到那時因為星系結構距離太遙遠，整個宇宙將毫無“生機”，直到時間的盡頭。當然，也有天文學家通過資料發現，未來的宇宙也許會突然停止膨脹然後收縮，收縮到最後將再次成為奇點，奇點將再次大爆炸，產生一個新的宇宙……
這對於人類來說，太過遙遠，但是宇宙演化的真理，伴隨不斷髮展的觀測科學，總有一天會被揭開。