宇宙有多大？这是每个人都可能要问的问题，可又是谁也不能给出满意答复的问题。
关于宇宙有两个概念，一是我们用望远镜能够看到的空间范围；一个是我们看不到的空间范围。
目前来说，我们看到的空间范围接近200亿光年，大约几十亿个星系。就我们所看到的宇宙，有人曾做过这样的比方：把人们观测的宇宙设为一个半径为1公里的大球，有3000亿颗恒星的银河系位于球心，大小就如一片阿斯匹林药片。银河系的孪生姐妹仙女星系M31距我们约13厘米。再往外，距本星系最近的一个玉夫星系团，距我们约60厘米。3米以外有200多个星系，体积如足球大小的室女星系团的中心，这个星系团是一大群星系松散的集合体，本星系群也是其下属。大约20多米处，是含有几千个星系的集团——后发星系团。更远处还有更大的星系团，最大的直径达20米左右。天空中最强的射电星系之一的天鹅座A，距我们45米；最亮的类星体3C237，位于130米处；1979年4月发现的第一个引力透镜类星体Q0957 561远在600米之外；1986年，英国剑桥大学科学家斯蒂芬·沃伦等人发现的离地球200亿光年的类星体，几乎达到了我们可见宇宙的边缘，接近1公里处。
以上是我们可见的宇宙，在这之外还有多大？边界在什么地方？这个宇宙尺度之谜，仍是人们感兴趣的问题。
德国大哲学家康德曾提出著名的时空悖论，强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。
古典力学创立者牛顿设想：宇宙像一个无边的大箱子，无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的箱子里，靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”（即奥尔伯斯佯谬）：如果宇宙真的是无限的话，恒星又是均匀地分布着，那么夜晚的天空将会变得无限明亮。
相对论导师爱因斯坦于1917年提出了有限宇宙的模型，即“把宇宙看作是一个在空间尺度方面的有限闭合的连续区”，并从宇宙物质均匀分布的前提出发，在数学上建筑了一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”，即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的这个“宇宙球”模型推想，在宇宙任何一点上发出的一道光线，将会沿着时空曲面在100亿年后返回它的出发点。
但迄今为止，人们关于宇宙的总的几何结构尚未真正了解，难以回答时空曲率是正、是零还是负。尽管爱因斯坦的相对论对这三种可能性都能适应，并且他本人倾向于肯定有限的成正曲率宇宙的存在。
人类目前的认识，实际上是把宇宙作为在时间上有起点、在空间上有限度的想象模型来对待的。同时，又是依据对宇宙的探测深度来估算宇宙的大小及其年龄的，尽管在过去的几十年间，科学家们一直在不停地修正，有关宇宙观测的事实表明，宇宙的可测潜力是难以想象的。
宇宙的尺度究竟是有限还是无限的？现实的回答只能是：人们所能认识的宇宙还是极其有限的，只要人们找不到宇宙可以穷尽的迹象，那么就应该承认，对宇宙范围的了解是没有止境的。
宇宙到底有多大？这是凭感觉无法回答的，但也是无法单凭理论来证明的。自古以来，人们将这个问题从哲学上定义为“宇宙是有限的、还是无限的”。实际上，在任何时代，人们直观经验所能把握的宇宙总是有限的，但这并不能从直观上肯定自己的经验所感知的是全部宇宙。所以，人们的想象可以超越经验，认为宇宙是无限的。
人类是顶天立地的生灵。在古代，地心说占主导地位，哥白尼日心说被接受后，至20世纪初，直接观测的天体范围超出了银河系。1912年美国人斯里弗发现，除了仙女座大星云外，所有银河以外星云的吸收光谱线，都有向红端移动的现象。接着，哈勃进一步观测和分析这一现象，于1929年提出了哈勃关系式：星系谱线的红移量与星系到我们的距离粗略地成正比。他当时用多普勒效应来解释这一现象，得出的结论是：河外星系都在离地球而去，而且离我们越远的星系，离我们而去的速度越快。
哈勃当时测出，当星系离我们的距离为100万光年时，其退行速度为150千米/秒，后来的天文学家修正了这个值。根据1996年英国卡文迪许实验室的科学家最新计算出的哈勃常数，按照距离与退行速度之间的线性关系，哈勃关系式告诉我们，当星系离我们远于160亿光年时，其退行速度会达到光速。在这种情况下，这些星系所发出的光就不能传到地球上来了。所以，我们也就无法看到它们了。
不过，这个结论并不是定论。这是因为，在实际中确定哈勃常数的值是很困难的，它可能被再次修正。另外，根据广义相对论，星系谱线的红移也可以由引力场造成，也可能是其他因素造成的，还可能是由途中损失造成的。所以，我们目前并不能确定宇宙的真正大小。
不过，已经可以明确的是，宇宙在发展上有阶段性，在分布上有连续性。问题在于这种发展的阶段性是否存在着无限系列（成无限循环）？分布的连续性是否存在着无限区域（成无限广度）？我们地球在时间系列中、空间区际中，究竟处于怎样的“原点”上？
由于人们找不到宇宙有限深度的证据，且无从制定宇宙膨胀的极限（假定宇宙是真实的话），那么，宇宙尺度问题也许会成为一个永恒的谜。
1.人类视野中的宇宙
我们凝视繁星密布的夜空，至多只能看见区区数千颗恒星而已，这就是古人对于宇宙所知的一切。随着人们制造出越来越大、分辨能力也越来越高的望远镜，一个巨大无比的宇宙渐渐映入了我们的视野。
大地来自天空，这是孩子们的想象；但它恰恰是天界的面目造就人的思想这种古老观念的现代翻版。夜空中群星的图案早已萦绕在世界各地诗人、思想家和幻想家们的脑际。它们激起了神话和宗教，引起了对于空间之浩瀚的疑虑与恐惧，并产生了对宇宙之广阔与壮丽的敬畏和仰慕。
人类栖息的地球，只是太阳系九大行星中一颗中等的行星，而太阳系在银河系中不过是沧海一粟而已。要说银河系有多大，我们先要弄清楚太阳系究竟有多大。
要说明太阳系有多大，让我们还是从地球说起。如果你住在北京城，到北京的昌平卫星城有几十公里，坐汽车或火车，大约1个小时就可以到达，火箭飞行只需要几秒钟，你也许觉得还不太远。如果你由此向西走，到兰州和乌鲁木齐，铁路线的距离分别为1800公里和3800公里，坐火车分别需要30小时和60小时，火箭飞行这样的距离分别需要4分钟和8分钟，你一定觉得很遥远。可是，地球的直径约12800公里，赤道周长约40000公里，坐火车绕地球一圈需要670小时，大约是28天，坐宇宙飞船绕地球一圈也需要80多分钟。
可是，当你走出地球，从太阳系来看地球时，它又很小很小。地球的质量只占整个太阳系质量的几十亿分之一。离地球最近的天体，即地球的卫星——月球，与地球的平均距离是38万公里；地球大约是月球直径的30倍；地球与最近的行星——金星的最近距离是4000万公里；地球与太阳的平均距离约为14960万公里，与最远的行星——冥王星的最近距离达40多亿公里。
这样的数字太大了，记忆和使用起来很不方便。于是，科学家们建立了另外一把量距离的尺子，叫“天文单位”。这把尺子取地球到太阳的平均距离为1，即1天文单位。这样，地球到冥王星的距离为38.4天文单位。以现在的火箭速度飞行，到冥王星需要10多年的时间。而冥王星的轨道还远远不是太阳系的边界。以太阳光能到 达的范围计算，太阳系的半径可达100天文单位；如以太阳和太阳系的引力范围计算，太阳系的半径可达4500天文单位；如以围绕太阳系的稳定带计算，太阳系的半径可达10万天文单位；如按彗星的活动范围计算，太阳系的半径达到23万天文单位！
可是，在银河系中约有2000亿颗“太阳”（恒星）。离太阳最近的恒星是半人马座阿尔法星，它与太阳的距离为43万亿公里，约3亿天文单位。这个数字还是太大了。于是科学家们又建立了一把更长的尺子——光年，就是以光飞行一年的距离为一个单位。光的飞行速度为每秒钟30万公里，1光年约为10万亿公里。这样，太阳到半人马座阿尔法星的距离为43光年，而银河系的直径达10万光年！
银河系已经够大的了，可是，在宇宙中，像银河系这样的星系，数量多达几千亿个，我们把它们称为河外星系。星系有成团的倾向，如银河系和仙女座星系等30多个星系组成本星系群。一般的星系集团叫星系团。星系群和星系团又结合成超星系团，如本星系群属于以仙女座星系团为中心的本超星系团。但超星系团还不是最大的群体，在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的重力源，它牵引着本超星系团，这个“大牵引者”可能是许多超星系团组成的超星系集团。除星系外，宇宙中还有星云类星体和暗物质等。我们现在探测到的星系星系云或类星体，离我们最远的，已远远超过150亿光年的距离，但那里仍然不是宇宙的尽头。可见，我们的宇宙是怎样的无穷无尽！
2.看不见的宇宙：射电望远镜中的奇观
1932年12月，美国电信工程师央斯基发现了来自银河中心的射电辐射。8年后，美国人雷伯尔用射电望远镜证实了央斯基的发现，并测到太阳和其他一些天体发出的无线电波。于是，射电天文学产生了。
射电望远镜是接收、显示和分析空间无线电波辐射的装置，它不分昼夜地工作，能接收到宇宙尘埃后的天体辐射。人们把射电天文学称为全波天文学，在电磁波谱中，可见光只是一小部分，所以，射电望远镜可以观察“看不见的宇宙”。
1964年，彭齐亚斯和威尔逊用射电望远镜发现了3.5K的宇宙背景辐射。1967年，英国人休伊什和乔斯林·贝尔发现了来自天空的射电爆发源——脉冲星，也就是中子星。1968年，美国人汤斯等人在银河中心区发现了氨和水分子的谱线，第二年又发现了甲醛分子的谱线，说明星际存在着有机物质。
20世纪60年代，射电天文学家还发现了类星体。类星体是类似恒星的一个点光源，其谱线的红移量极大，如果用多普勒效应来解释，它的飞行速度便可超过光速。如果类星体离我们很远，那么它辐射的巨大能量是如何产生的？如果离我们不远，那么红移现象又是如何产生的？这些都为天文学提出了新的问题。所以，类星体被称为谜天体。
射电天文学研究也给人类提供了宇宙中的特殊信息：星际空间存在着每立方厘米不到一个原子的高度真空，中子星内部的密度达到了每立方厘米10亿吨物质，脉冲星表面有1万亿高斯的磁场，爆发时的恒星会产生100亿度的高温，某些星系与星系核可能以大于光的速度向外抛射物质等。对于这些现象，我们人类又能进一步认识到什么程度呢？
（1）四大天文发现之一：宇宙微波背景辐射
1978年的诺贝尔物理学奖授给了宇宙微波背景辐射的发现者、美国贝尔电话公司的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊。这对他们来说，真是没有料到的殊荣，因为宇宙微波背景辐射是自己闯入他们的视野里来的。
那是在1964年到1965年间，彭齐亚斯和威尔逊为了接收从人造卫星上传来的微弱信号，使用了特殊的角状天线，并改装了接收器。可是，他们却意外地收到了一种奇怪的辐射信号。这个辐射信号在天空中任何一个方向上都能收到，并且强度都一样，在不同季节里，其强度也没有变化。这种现象说明，这种信号不可能来自人造卫星，也不会来自太阳或银河系中心，同样不会来自河外星系外的某个射电源，因为这种辐射信号不受方向的影响。后来，这一辐射信号也被其他科学家收到了。经分析，这种辐射具有这样几个特点：它产生的温度是绝对温度三度，即摄氏零下270度，一般写成3k，它的波长属微波波段，强度高，均匀地分布在天空背景上，因此人们给它起名叫“微波背景辐射”。
宇宙微波背景辐射被发现后，人们纷纷对它的产生提出了种种假说，其中有种观点认为，这种辐射产生于宇宙大爆炸。
大爆炸宇宙学认为，宇宙原来是一个原始大球，后来，大球发生爆炸，宇宙开始膨胀，组成火球的物质飞向四面八方，渐渐冷却，凝聚起来成为星系。原始火球产生辐射，也会由膨胀而冷却。如果我们看到的是大球辐射的残余部分的话，这种辐射就应当在波长较大的射电和微波波段上，这些残余辐射就会随着宇宙的膨胀而充满整个宇宙。
看来，大爆炸理论比较圆满地解释了微波背景辐射产生的原因，但并不是所有问题都解决了。比如人们普遍认为这种辐射是各向同性的，可苏联科学家泽尔多维奇等人经过研究，认为这种辐射还应当存在着微小的非各向同性。如果真的发现了非各向同性，就说明这种辐射并不是完全均匀地分布在天空背景上。是否存在着非各向同性，在目前来看还是个谜。
（2）四大天文发现之二：有待继续探索的脉冲星
1968年2月，英国《自然》杂志发表了一篇轰动世界的文章：《观测到脉冲电源》，这种奇特的发射无线电脉冲的天体，后来被命名为脉冲星。这颗脉冲星，就是著名的英国射电天文学家休伊什和女研究生贝尔小姐在1967年夏天偶然发现的。
他们发现，这个天体很有规律地发射一断一续的脉冲，每经过1.337秒就重复一次。开始，他们以为是地球上某个无线电台发射的讯号。这一假设很快被否定了。后来又怀疑是从某个具有“超级文明”的星球上发来的电报，到最后才肯定这种脉冲信号来自一个未知的天体。
科学家们对这种脉冲现象进行了仔细认真的研究，确定这是脉冲星自转的结果。它每自转一周，我们就观测到一次它辐射的电磁波，因此就形成了一断一续的脉冲。
这种脉冲星，经研究一致认为就是科学家们早已预言过的中子星。早在1932年，苏联著名物理学家朗道就推测，宇宙里可能存在一种密度很高的、差不多全由中子星组成的中子星。1934年，美国科学家巴德和兹维基又假定说，中子形成于超新星爆发的过程中。休伊什和贝尔的发现完全符合以上的猜测。第一，只有非常小的天体才能迅速旋转。脉冲星就具备这个条件，有的最短周期达0.033秒。第二，就目前发现的脉冲星来看，其中一部分就存在于超新星爆发的遗迹中，比如被称为NP0532的脉冲星，就位于蟹状星云的中心。经研究发现，脉冲星所在的地方，正好是超新星爆发时应该形成中子星的地方。
脉冲星有许多奇异的地方，它的体积非常小，我们的地球就可装得下千万颗，别看它小，其密度却大得惊人，有1立方厘米就有几亿吨甚至几十亿吨重。胡桃大小那么一块，就需几万艘万吨轮来拉。同时它又是一个超高温的世界，表面温度高达1000万度，中心温度高达60亿度。它还是一个超高压的世界，其中心压力大约有1万亿亿亿个大气压。它的能量辐射也大得惊人，大约是太阳辐射能量的100万倍。同时，它也是人们已知的、宇宙中磁场最强的天体。
至此，关于脉冲星还有一些问题我们没有搞明白，如脉冲星内部为什么应处于超导状态和超流动状态？为什么在周期旋转中会出现“矢步”现象？“星震”与脉冲星内部结构的某种改变有联系吗？为什么只有蟹状星云脉冲星发射光量子？等等，都有待于进一步探索。
（3）四大天文发现之三：星际分子产生的秘密
轰动一时的星际分子的发现，成为20世纪60年代天文学四大发现之一，立刻引起了物理学家、化学家、生物学家和天文学家的充分重视。
其实，寻找星际分子的工作早就开始了，1937年，科学家们用光学望远镜观测星际气体云时，意外地发现了几种双原子分子，也就是由两个原子组成的简单分子。这一发现，给了人们极大的鼓舞，但直到20世纪60年代，对星际分子的发现才有了长足的进步。1963年，天文学家用望远镜发现了一种新的星际分子——氢氧基分子，它由一个氢原子和一个氧原子组成。1965年，又发现了氢氧分子发射谱线，即“微波波段的激光”。这是美国物理学家在50年代就预见到的。从此，人们对寻找星际分子投入了极大的热情。从1969年美国人汤斯发现甲醛分子以来，又发现了许多星际有机分子。就是在河外星系，也发现了好几种分子。截至1978年，共发现了48种星际分子，这里有简单的双原子分子，也有复杂的有11个原子的氰基辛四炔，有水分子，有甲111分子，有氰化氢分子，甚至还发现了乙醇分子。在这些元素中，有同生命过程分不开的水分子和氨分子，有合成氨基酸必不可少的甲醛氨化氢和丙炔腈分子。这说明宇宙中可能存在氨基酸。氨基酸是构成蛋白质和核酸的主要原料，而生命就是蛋白质的存在方式。这些星际分子的存在意味着什么，人们就很清楚了。
既然这些星际分子的存在是如此的重要，人们自然要探讨它的来源了。
有人认为星际分子是由星际空间的化学反应形成的。但这种观点有许多问题不能解释。人们知道，星际空间是极其空旷的真空空间，这样的条件，别说复杂原子，就是简单原子也难形成。况且星际空间还是一个气温极其低下的低温世界，一般都在-100℃以下，有的地方还低到-270℃，这样寒冷的环境，怎么可能进行化学反应呢？同时，星际空间还有恒星和其他天体发出的强烈辐射，就是分子形成了，也可能会被辐射破坏掉。
此外，关于星际分子的产生还有许多假说，如：原子碰撞结合而形成分子说，分子是原子在尘埃表面结合而形成说，还有人认为，复杂的有机分子是一些比它们大得多的有机聚合物尘埃分解后的碎片。
星际分子的发现，促使人们不得不重新考虑一些问题。星际分子的起源之谜一旦解开，将对天体演化、生命起源，以及现代自然科学都会产生深远影响。我们热切期待着这一天的到来。
（4）四大天文发现之四：奇异的类星体
类星体是迄今为止人们发现的、距离我们最远的、最明亮的天体。因其是恒星而又不是恒星，所以获得了“类星体”的名称。这是20世纪60年代著名的四大发现之一。到目前为止，已发现类星体数千个。
在1960年，美国天文学家桑德奇用当时世界上最高倍的望远镜，看到一个名叫3C48的射电源，发现它并不是一个射电星系，而是一颗星，这颗星很暗，颜色发蓝。三年以后，又一位美国天文学家施米特又发现了一个类似3C48的天体3C237.这位科学家对射电源3C273进行光谱分析，发现在这个天体上，并没有什么地球人未知的新元素，不过是普通的氢光谱线，所不同的是，这些元素的谱线都向长波方向移动了一段距离，天文学上把这种现象称为“红移”。这种红移现象一般恒星也有，不过移动的数量很小。可是类星体的红移K量非常大，比一般恒星的红移要大上几百倍甚至上千倍。根据美国天文学家哈勃在1929年总结出来的规律，红移的大小同星系与我们的距离成正比，红移越大，星系距离我们也就越远。这种巨大的红移现象表明，这些天体距离我们十分遥远。按照哈勃定律，可以推测出这些天体远在几十亿光年甚至上百亿光年以上，换句话说，在这些类星体发光的时候，我们的太阳系还没有形成，因为太阳系只有50亿年的历史。
经科学家们研究，类星体的发光能力极强，比普通星系要强上千百倍，因此获得了“宇宙灯塔”的美名。更令人们吃惊的是，类星体的直径又非常的小，只有一般星系的十万分之一甚至百万分之一。为什么在这样小的体积内会产生这么大的能量？这一问题既使科学家兴趣倍增而又大伤脑筋，因此，种种假说便接踵而来。有人认为其能源来源于超新星的爆炸，并猜测其体内每天都有超新星爆炸；有人分析是由于正反物质的淹灭；还有人推测类星体中心有一个巨大的黑洞。要想拨开类星体的迷雾，还有待于科学家们的辛勤探索。
3.宇宙不只是在膨胀，而是在爆炸
早在1914年，美国天文学家维斯托·斯里弗就宣布，他所测量的几乎所有的星云（当时对星系的叫法）都在做高速退离。
当时，红移和蓝移已被天文学家当作恒星相对于我们的运动效应而得到了广泛的认识和理解，因为多普勒效应要求光波和声波频率都要有移动（就如汽车驶向我们之时它的喇叭声增高，而当其驶离时它的喇叭声又会降低一样）。当光源远离观察者而去时，光波就会分散开来，使得光波变长、光色变红；而当光波从其源头射向观察者时，它“形成一束”，光波就会变短、光线变蓝。令斯里弗倍感惊奇的是，与他对恒星常规测量中的一般红移量相比，在该星云中所观察到的红移程度要高得多。
细小、微弱的螺旋椭圆形星云曾被认为是与处在银河系之内的恒星具有同样的运动速度的气团或尘云。恒星有时是红色的，有时则表现出蓝移，明显属于杂乱的变化。相反，几乎所有的星云都呈现出很大的红移（离我们而去），少数蓝移（向我们而来）的星云又属于同一小团体。所有的星云都以极高的速度退去，有的可达每秒钟1000英里。斯里弗不明白是什么原因导致了这种现象，因为他一直认为所有的恒星和星云在宇宙中都是随机漂移的。
当时的普遍认识是，宇宙是静态的和永恒的。人们还认定银河系即是宇宙，因此恒星的那些离去或奔来的运动被看成是没有什么区别的或属于整个宇宙的涡漩运动。康德在18世纪就提出了这些微弱的星云可能是遥远地方独立存在的“岛状宇宙”，而不属于银河系的一个部分，但该观点却没有得到科学界的关注。
当时爱因斯坦已经了解到，天文观测表明恒星并不是朝某个特定方向漂移的。当他认识到广义相对论意味着宇宙在膨胀之时，他以为他的公式中肯定漏掉了某些东西，因此他添上了宇宙常数以便保持宇宙的稳定。
将事实聚拢到一起的第一步来自哈勃的发现，即星云不只是近旁的气状云团，而是和我们的银河系一样的由恒星组成的星云。经过一次世界大战的考验之后，这位来自罗得岛州的学者决定将他的余生贡献给天文学，他认为这是有史以来最令人兴奋的追求。哈勃将此不是看成一种职业变换，而是一种“召唤”。他放弃了他新近获得的十分成功的律师工作，在获得了天文学博士学位之后，于20代远离尘嚣、耐心地透过加利福尼亚威尔逊山天文台的100英尺反射望远镜，开始了他的天文学观测（在此之前，斯里弗曾用过这里的一个20英尺折射望远镜）。
哈勃利用当时世界上最大的望远镜，仔细观察了这些星云，并用长时间的曝光来拍摄这些星云的轮廓——有时要用上好几个晚上，直到他最终能够分辨出恒星来。到这时，他已认定这些星云实际上是恒星系统，并很快地又提出更多的证据来证明与银河系中恒星和球型束状物相比，它们距我们的距离更远。
如何测量恒星到我们的距离？最精确的方法是通过三角视差法，即借助地球轨道相反一侧上的两个点来测量近旁恒星的位置。通过观察两次测量之间极小的角度变化，就可计算出其距离来。天文学家们对最近恒星距离我们的距离深感惊奇。事实上，银河系中的1000亿颗恒星中只有很小一部分处在该方法的测量范围之内——对500光年之外的恒星来说，视差法就变得毫无用处了。
为了弄清星云的距离，哈勃起初采用某种类型近距离天体的已知强度（量度）为标准，来测量银河系之外更微弱星系中的恒星的亮度。光学中的一个有用定律告诉我们，光的亮度与其距离的平方成反比。也就是说，如果我们已经知道两颗恒星本身的亮度相同，那么当一颗恒星距我们的距离是另一颗的二倍之时，它的亮度则要暗四倍。
为此，哈勃利用了他对近旁新星（突然强烈地亮起来然后又暗下去的恒星）和恒星团的知识，但是，他的最为准确的测量是利用一种叫“造父变星”的特种恒星取得的。1912年，哈佛大学的亨利埃塔，莱维特就指出，这类恒星定期地变亮，该周期与其真正的亮度高度相关。两次最亮时期之间的间隔时间越长，造父变星就越明亮。这样，在邻近称作小麦哲伦星云中的造父变星的明亮周期和明亮程度，就为测量遥远星系中的任何造父变星的实际亮度提供了工具，而不管这些造父变星表面亮度到底如何。一旦知道了其实际亮度，就可以采用倒数平方法计算出其距离来。
哈勃也向其它星系寻找造父变星。在仔细观察这些星云的时候，他还发现无数的恒星团和明亮的新星。他通过对它们亮度的测量（与较近的新星和恒星团的已知亮度相比），补充和证实了他对造父变星的测量。1924年，他发现到仙女座星云（离银河系最近的星系）的距离为900，000光年（大约为目前改进后的测量所显示距离的一半）。
为弄清更远星云的距离，哈勃又提出两个测量标准。超过100万光年时，他利用有造父变星星云中最亮的恒星与更远星系中的最亮恒星进行比较；超过600万光年时，他将整个星云的总发光度作为他的测量标准。这就是使得他的望远镜可以测量到2.5亿光年的范围。
到1929年，哈勃已经确定了银河系之外的24个星云的距离。这主要得益于斯里弗的工作，这些星云的红移程度也已经为人所知。哈勃发现，尽管较近的恒星并不是在离我们远去，但是遥远的星系却在离我们而去。而且，星系越远其退去的速度也更快。事实上，他发现在距离和速度之间存在着精确的线性关系。距离远两倍的星系，其远去的速度也会高两倍。他公布这些结果时，即在科学界引起了轩然大波，并在宇宙学中激发起更多的深入研究。
当围绕着他的发现还存在着激烈的争论之时，哈勃已在努力完善他的方法了。与光谱学专家M。L。赫马森一起，哈勃通过对星系的无数次测量为距离一速度之间的相关方程提供了明确证据，并发现他们所能测量到的最远的星系（2.5亿光年）正在以每秒2，600英里的速度后退。到1936年，哈勃已经探测到了他的100英寸望远镜所能达到的宇宙极限。
与此同时，其他天文学家所积累起来的证据连同更大望远镜和更新方法所提供的证据一起，表明哈勃低估了到星系的距离。但是，新的证据也证实了距离——速度之间的关系。由于注意到了更远星系更高的速度（时间上和空间上的距离，因为我们所观察到的是它们遥远的过去），天文学家得知宇宙的膨胀不只是星系以稳定步伐后退的问题。在宇宙的早期阶段，星系间相互离去的速度曾经更高，现在的宇宙膨胀实际上是从剧烈的初期扩张所延续下来的减速运动。这样，现代科学所形成的一致意见是：宇宙不只是在膨胀而且是在爆炸！
4.近代天文学最大的挑战之一：
绘制宇宙的结构绘制宇宙是近代天文学最大的挑战之一。第一、二维图像是满足不了科学目的的，为了理解各种宇宙的大结构之间的复杂的相互作用，天文学家不仅需要知道天体在天空的位置，还要知道这些天体之间距离的信息。
但超过一定的范围，测定这些天体的距离是困难的。我们已经讨论过测定天体距离的各种方法：对于近邻恒星，用视差法就行了；对于银河系内远方的恒星，就要用比较一颗恒星的视亮度和它的绝对亮度的方法。
测定近邻星系和星系团的距离，科学家们就要用更先进的方法，如造父变星法。在用火箭发射哈勃空间望远镜（Hubble Space Tele Scope，以下简称HST）以前，造父变星差不多被用做测定本星系群内星系距离的尺码。HST的发射，使得用此法测量近邻星系团的距离成为可能。
但是，仍有一些区域，造父变星显得太暗，此技术难以应用，科学家被迫实行一些猜测的方法。例如，塔利一费希尔（Tully-Fisher）关系—一个关于星系的绝对亮度与其光谱中一特殊谱线（如红光波长的）宽度之间的关系的观测原理，有时被用来测定星系的距离。在测量宇宙的大尺度区间时，比较普遍采用的办法是利用星系的退行速度与距离之间的哈勃定律比例关系，测量一个星系（或星系团）的谱线向红端移动的量，观测者就能估计该星系离我们多远。哈勃1929年的发现即现在所说的哈勃定律告诉我们，所有遥远的星系都在以直接与其距我们距离成比例的速度远离我们而去。换句话说，如果某星系距银河系的距离是另一个星系的两倍，则我们将会发现该星系远离我们而去的速度也会是两倍。罗伯特·贾斯特罗（NASA戈达德研究所的创始人，现在为哈勃曾实现其绝大多数发现的威尔逊山天文台的领导者）写到：“哈勃定律科学史上最伟大的发现之一：它是对创世纪的科学性的主要支持证据之一。”
宇宙学家用一个称作哈勃常数的数字（通常记作H0）来表示速度/距离之间的精确关系。H0是一个很关键的数值，因为如果我们能够将该数值确定下来则我们就能确定宇宙的大小和年龄。在确定哈勃常数方面各方还没有形成一致的意见，因此宇宙学家目前认定宇宙的年龄大致处在80～200亿年之间（这也意味着宇宙的直径有80～200亿光年）。在哈勃常数还未有较可靠的值以前，该定律只能提供相对的距离值。
用于大尺度距离测量的尺码，从视差到造父变星到光谱方法加在一起的“杂烩”叫作宇宙距离阶梯。科学家们用此阶梯，一级一级地从比较熟悉的近邻恒星爬向远方的星系团及类星体。当新的测量棒经过考验可用时，该阶梯便被加固了一些并延伸出去，成为艰难地步步高升连接到宇宙深处的梯子。
除了距离测量问题外，当天文学家们企图绘制可见宇宙的天图时，还遇到另一个因难：需要探索的领域令人难以置信的广阔，潜在的能用望远镜视察的空间的体积超过几十亿光年的立方1031（光年）3，这里面充斥着数百亿个星系（它们中的大多数是HST近来发现的）。要做出它们的目录，恐怕需要花费几百年时间。
与此同时，人类一项重要的探空计划在进行中。如哈佛一施密松天体物理中心（CfA）的盖勒和赫克拉所做的是获得可见宇宙内有代表性的截面中的信息。打算用对这部空间的观测结果，提供星系在宇宙中是如何分布的粗放的概念。
计划中第一个有代表性的天区的图像，是赫克拉和拉普兰特在1985年春季绘制出来的。他们测定了位于一个6度宽的狭长天区内大约1100个星系在空间的位置。选取如此大小的空间观测，是为了能在较短的时间里完成巡查任务。
在开始巡查时，盖勒和她的同事们并未希望见到宇宙中大尺度有序状态的证据。事实上，他们原来想象巡天工作将揭示出一个匀称纹理的宇宙。相信它们将看到星系团均匀地分布在天空，就像少量的葡萄干均匀地分布在葡萄干面包里那样。但实际看到的却是确凿无疑的星系分布的稀奇的式样。星系和星系团不是随机（杂乱）分布，而是表现为组成的、纺锤式的弦（带子）和宽的伸展了的书页，也有成为巨大的物质气泡状的分布态势。这些气泡的里面看来非常地空，好像所有原来在里面的星系全被吸管吸出去了。
CfA小组看到的是这样一个奇特的景象：与浓密地分布几百万个星系的空间区域对比着的是实际上空无一物的天区——他们称其为空洞或巨洞。不知什么缘故，在宇宙历史上的某个时期，大尺度有序状态从混沌中出现。CfA小组难以解释这是如何发生的，他们只是观察到这些情形罢了。
1989年，盖勒和赫克拉把他们的巡天工作延伸到包括几千个星系，并观测到一个新的特色：一个在空间延伸超过5亿光年的星系“巨壁”。这一叫作长城的宇宙栅栏，是宇宙中存在的最大的单一结构特色。
盖勒及其合作者们，远不是注意到宇宙中大尺度结构的第一组人。在50年代，法国天文学家沃库勒（GerarddeVaucoleurs），发起了一场关于他建议的星系和星系团属于更大的天体集团称为“超星系”（现在称为超星系团）的大争论。
当时，大多数天文学家相信星系团是空间最大的天体集团，他们认为，引力理论，如爱因斯坦广义相对论所表达的形式，不利于更大天体集团的形成。还认为，扩展得更大的结构只能通过引力松散地联系在一起，宇宙的膨胀将把它们拉开。因此，这种结构的寿命只能是短暂的，今天的宇宙中不存在这样大的结构。
但经过多年积累的观测资料，国际天文界渐渐接受了宇宙中存在着“星系团的集团”这个事实。我们的本星系群被证明是一个叫做本超星系团的一部分，该超星系团在空间伸展1亿光年，室女座星系团位于其中心。人们还发现了许多其他超星系团，带着它们穿起来的“念珠”，交叉在宇宙中。
沃库勒年轻时是个急性子的人，现在感到了辩解的意义。
时间是检验真理的唯一工具。正如他所说的“正如一个成长的儿童逐渐明白了较大单元的人类组织——家庭、邻居、城市等等——天文学家们在过去400年间逐步认识到天空的等级式安排。这一天文的发展在继续前进中。”
今天，基于不可抗拒的，例如由盖勒、赫克拉和普兰特提供的观测证据，大多数天文学家接受了下列事实：宇宙有一个复杂结构的等级。描述这些结构的名词如“纤维”、“气泡”、“薄片”及“空洞”等，已成为他们经常使用的词汇了。他们不再争论宇宙是否有大尺度结构，而是在寻求去理解这些结构的来源和性质。
科学家们提出了三种宇宙结构形成的模型。70年代初期，前苏联科学家泽多维奇提出了“薄饼模型”。薄饼模型是自上而下的理论，它支持下列观点：大结构，如薄饼和气泡是先产生的，然后这些大结构裂开，成为超星系团、星系团，最后出现星系。在泽多维奇的理论中，早期宇宙内充满了大而平坦的物质扁块——“薄饼”，最终碎裂为较小的断片，这些断片再演化成星系。泽多维奇的模型对为什么星系排列成长串和薄片的解释是：这些结构是原始“薄饼”的遗物。
第二种模型称为等级式成团模型。在倡议者中，有普林斯顿大学的天体物理学家皮伯斯。在这个自下而上的模型中，从气云凝聚而成的星系首先在原初宇宙中形成。随着宇宙的发展，许多这样的星系互相接近到足以彼此发生引力拉曳，很快星系群互相接近，形成星系团，然后超星系团出现了。就像冬天的风把雪刮成雪堆，同时也使有些地方没了雪一样，在空间形成了空洞，那里的物质被引力吸走了。
最后，第三种模型我们称之为分形接近。分形是自相似的物体，也就是说，在所有观测的尺度，它们看上去是一样的。它们和俄罗斯的彩色套娃一样，一个套在另一个里面。按照分形接近，结构的多层次，从星系到星系团到超星系团是同时产生的。超星系团的形成过程明显地与星系的形成过程一样——只不过是在较大的尺度上罢了。
近来，理论工作者，如盖尔布和麻省理工学院的伯特辛格，曾用计算机模拟方法来检验星系形成的模型。在他们的模拟中，用随机分布的大块物质作为一个“玩具”宇宙的种子，并观察引力和其他力对于这些种子的影响。只要在他们的研究中包括了称作暗物质的物质（在第五章中将要讨论），便能够较好地模拟出星系的产生和其他结构。