几乎所有遥远星系的光谱都呈现红移，表明它们正在远离我们。这一现象的核心原因是宇宙的整体膨胀。虽然局部引力可以使邻近的星系（如仙女座星系）向我们移动，产生蓝移，但这种效应是有限的。随着距离的增加，宇宙膨胀导致的空间拉伸效应会累积并占据主导地位，其产生的退行速度远远超过了局部引力所能造成的任何朝向我们的运动。因此，在超过数亿光年的尺度上，所有星系的光都被拉伸，一致地表现为红移。
宇宙的基本观测现象
当我们观察遥远的宇宙时，会发现一个普遍的特性：几乎所有银河系以外的星系，其发出的光在抵达我们时，波长都变得更长，也就是向光谱的红色端移动。这种现象被称为红移。
在广义相对论的框架下，红移可能由三个原因造成：
- 物体与观测者之间的相对运动。
- 物体与观测者所在空间的引力差异。
- 光在传播过程中，空间结构本身的膨胀。
如果星系间的引力拉扯是主导因素，我们理应看到数量大致相等的红移星系和蓝移星系（朝我们运动的星系）。但现实是，蓝移星系极为罕见，并且在遥远的宇宙中完全不存在。
历史性的突破
在20世纪初，我们甚至不清楚宇宙是否超出了银河系的范围。直到1923年，天文学家埃德温·哈勃通过观测仙女座大星云中的一种特殊变星（造父变星），才革命性地证明了它是一个远在银河系之外的独立星系，距离我们约250万光年。
这一发现揭示了宇宙的浩瀚尺度，并为后续的研究奠定了基础。我们认识到，宇宙中充满了无数像我们银河系一样的星系。
理论与观测的碰撞
随着对越来越多星系距离和光谱的测量，一个清晰的模式浮现出来：
- 距离越近，越有可能出现蓝移。 我们所在的本星系群中，红移和蓝移的星系数量相当，著名的仙女座星系就是一个正在靠近我们的蓝移星系。
- 距离越远，红移现象越普遍且越显著。 在几千万光年之外，只有少数位于大质量星系团中心的星系可能因局部引力而呈现蓝移。
- 超过3亿光年，所有已知的星系都呈现红移。 无论它们在宇宙中的位置如何，没有任何一个星系显示出蓝移。
这一观测结果强烈暗示，有一种超越局部引力的、遍布整个宇宙的统一机制在起作用。
宇宙膨胀的诞生
早在哈勃发表其决定性成果之前，物理学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特就已经在理论上预见了这一切。
弗里德曼在1922年的研究指出，一个遵循广义相对论且均匀充满物质的宇宙，不可能是静态的，它必须整体上处于膨胀或收缩状态。
1927年，勒梅特将这一理论与当时已有的星系距离和红移数据相结合，首次提出了宇宙正在膨胀的结论。他指出：
- 星系的退行速度（由红移推断）与其距离成正比。
- 如果宇宙今天在膨胀，那么它在过去必然更小、更热、更密集。
- 追溯到足够久远的过去，宇宙可能起源于一个密度和温度都无限高的“奇点”——这便是“大爆炸”理论的雏形。
宇宙膨胀完美地解释了红移现象：当光在不断膨胀的空间中传播时，它的波长会被拉伸。光传播的时间越长（即来自越遥远的星系），其波长被拉伸得就越多，红移也就越显著。
两种速度的较量
我们可以将星系的运动分解为两种速度：
- 宇宙膨胀带来的退行速度： 这是由空间本身的膨胀引起的，距离越远，速度越快。当前的“哈勃常数”约为每百万秒差距（约326万光年）70公里/秒。这意味着一个距离我们3亿光年的星系，仅因宇宙膨胀就会以大约6440公里/秒的速度远离我们。
- 特殊速度（Peculiar Velocity）： 这是由局部引力（如星系团的引力）引起的额外运动。这种速度有方向性，可能朝向我们，也可能远离我们，其上限通常在几千公里/秒左右。
在近距离上，一个星系的特殊速度可能足够大，能够抵消宇宙膨胀带来的退行速度，从而使星系朝我们运动，呈现蓝移。
然而，随着距离的增加，退行速度会线性增长并迅速超过任何可能的特殊速度。当一个星系足够遥远时，宇宙膨胀的效应将完全占据主导地位。无论其局部运动方向如何，它相对于我们的总运动必然是远离，因此我们观测到的必然是红移。这正是为什么在遥远的宇宙中，我们找不到任何蓝移星系的原因。