让光折射出它的光谱是牛顿比夫朗和斐早100多年前就做过的事情。到今天，这仍然是大部分学生在他们刚开始学习物理时，会被教到的：即利用三棱镜把一束光分成几个不同波长的光，结果我们可以看到一排壮观的颜色，从红色和橘色的一端，经过黄色、绿色和蓝色，一直到靛色和紫色的另一端。夫朗和斐只是想看看是否由折射产生出来的彩虹光谱可以显露出镜片的瑕疵。一开始，他用人为的光线（燃烧钠而来的黄光）来检验玻璃镜片。他注意到从灯那边折射出的光有一两个神秘的空隙——每一次做测试，都会发现黑线在固定的位置打断连续分布的颜色。因为钠光只显现出一部分的光谱，于是夫朗和斐想测试整个光谱，看看这些黑线是否也会出现在阳光的折射中。在完全相同的条件下，他不只看到彩虹效应，同时他也注意到在光谱上有很多相当清楚的线，有一些是很清楚的暗黑线，还有一些是比较清楚的淡黑线。在学校的实验室不太容易看见这些线，但是在夫朗和斐实验室的条件下，它们是可以被观测到的。
不久，他便尝试加热钠以外的化学药品，然后用镜片折射所发出的光。同样地，他仍然看到黑线或空隙，只是它们的位置改变了。他不清楚是什么原因造成这样的改变，但是每一种元素产生出来的光所呈现的黑线样式就是不一样。它们有点像今天在超市用来编订商品种类和价格的条码；在光谱之内的深浅线条的样式是一种光的指纹，如果夫朗和斐知道这一点，便可以利用它们来辨识被加热的化学元素。这时候，他只知道为了科学，他应该将它们公诸于世。
现在我们知道这些线条其实是每一种元素吸收光，使得少掉了一些光，而形成一些黑线条；或是放出光，形成较亮的光或额外的光，在光谱中的位置，或说是光的特定波长的显现。这些现象跟每种元素的次原子结构和它对输入能量的反应有关。夫朗和斐发现的重要性在于：透过光的折射可以看出光的样本的化学指纹。因此，透过辨认光源的指纹，我们就可以知道其中的化学元素成分。
夫朗和斐并不是唯一不晓得他的发现之重要性的人，事实上一直到1880年左右，胡金斯才发现夫朗和斐线是元素的指纹。他更进一步了解到这些线有助于我们明白太阳和恒星的组成成分。
当他折射太阳光并和某种星光做比较时，他不仅发现两者发出的光都有特定的指纹，而且他可以清楚地辨认出是氦和氢的指纹。因此结论是恒星和太阳都是类似由氢和氦所组成的，以某种方式燃烧或反应，像个巨形的夫朗和斐的灯一样，释放出热与光。
在科学上，这个发现是有重要意义的；但在哲学上，则表示太阳和恒星并没有什么不同。换句话说，他的发现比伽利略观察到“地球不是一切的中心”，更贬抑人类的价值。而居于太阳系中心的太阳，也一点也不特别。它只不过是另一个恒星，是整个宇宙中数十亿个由氢和氦所组成的恒星当中的一个。
都卜勒对于光与声音的重大发现
不像夫朗和斐，都卜勒的确了解到1842年他在维也纳的发现在天文学上的重要性；然而，过了七十几年，这个发现才大幅改革了宇宙学。
都卜勒发现一个同时适用于光和声音的原理。我们先就声音来看，会比较容易掌握其中的基本概念。现在大家熟知的“都卜勒效应”，经常以火车进出车站时发出的声音为代表现象。任何站在月台上的人都会听到火车发出的声音，随着它接近、经过和离开火车站而改变。显然的，当火车接近时，音量会增大；而当它离开时，音量会减小，但是在音调上也会改变。当声源逐渐接近观察者时，音调会渐渐提高，随着声源逐渐离开而渐渐降低。对于坐在火车内的人而言，他并不会感受到音调的改变。这种站在月台上的人所感受到的音调变化，要如何解释呢？
都卜勒指出这种音调的改变，是由于声音传到月台所需的时间改变了。如果我们把火车的运动分成一系列的时刻来看，会比较清楚。假设在A时刻，火车离开观察者100米，而且正快速接近他，那么火车在那个时刻所发出的声音必须走过那100米，才会被观察者听见。这发生在一刹那间，但是这是一个有限的时间，假设所需要的时间是300毫秒。过了这段时间，火车在此时刻离开观察者只有90米。火车发出的声音还是得传到观察者才可以被听见，但现在只须传90米就好了。由于声音的速度是固定的，所以这次它只需要270毫秒（少走一成的距离，少花一成的时间），比在A时刻到达观察者的时间，快了30毫秒。同样的，接下来的几个时刻“C”、“D”等，声音到达观察者所需要的时间越来越少，这表示逼近观察者的火车所发出的声音到达观察者时，被“挤压”了。
黑洞中隐含有巨大的能量
一旦火车离开观察者时，则恰好相反。想象在“X”时刻，火车距离观察者100米，火车发出的声音须传100米才能让观察者听见，所需要的时间是300毫秒。过了这段时间，火车距离观察者比刚才更远了10米，这个时刻是“Y”。这表示这时刻发出的声音须传播110米才会到达观察者，所需时间为330毫秒，比“X”时刻多了30毫秒。所以，随着火车远离观察者，到达观察者的声音被“拉开”了。
你只要理解了向你迎面而来的物体所发出的声音会被挤压，而离开你的声音会被拉开，你大概就能理解“都卜勒效应”了。另外一个理解的方法是想象声波的波峰和波谷被挤在一起，产生较高频率的声音；或被拉开，产生较低的频率或声调。
光当然也是以波的形式在传播——其速度比声音快很多。光和声音都是某种形式的能量。
换句话说，我们可以通过分析恒星所发出的光，判断它们移动的方向，看看是蓝移还是红移。夫朗和斐特征线越是往光谱的红色或蓝色端移动，光波就越是被挤压或拉开。换句话说，即表示恒星接近或远离我们的速度就越快。经由光谱的分析，都卜勒可以科学地说明在夜空里每一个光源运动的方向和速度。
天文学家承认“都卜勒移”是探索宇宙的新工具，但这并不是很有直接启发性的。都卜勒看到的只不过确认了天文学家早就预料的事情：恒星正在运动。牛顿预测宇宙充满了运动的天体；远在伽利略看见木星周围的卫星以前，早期希腊人就观测到大部分的天体是绕着轨道运动。然而，用“都卜勒移”研究星光，对于宇宙的理解所造成的革命性效果和伽利略的观察或者牛顿的重力理论是不相上下的。现在就只需有个优秀的人才来善加运用这个工具，但这个人要到七八十年后才出现。
哈勃发现宇宙正在膨胀
哈勃（Edwin Hubble 1889～1953）于1889年在美国出生。在他还没有决定要当天文学家之前，曾想过要当拳击手，而且还在牛津取得法学博士学位。1920年他来到加州的威尔森山天文台工作。他的同事们认为他是一个严谨的观察者，总是耐心又准确地搜集每一笔观察数据，像个细心的起诉律师正在准备官司一样；另外有些人则认为他有一种天生的知识灵感，可以在一瞬间洞察所有事情的意义。
哈勃在威尔森山上使用的是当时功能最强的望远镜。他第一件想做的是研究远处的星系，借由它们发出的光，运用“夫朗和斐光指纹”以及“都卜勒移”，试图指出其运动模式和化学成分，看看能否对它们有更深的了解。
哈勃现在准备完成一项艰巨的工作，即逐一标定宇宙里所有的星系。他发现通过把河外星系中的变光星和我们银河的变光星做比较，可以得知每个星系距离地球有多远，再对照光谱中的“夫朗和斐线”就可以得出恒星元素的成分。由折射出来的星光算出都卜勒移的程度，大致估计出星系运动的方向和速度。光移动的程度越大，被挤压或拉开的程度也越大，因此它运动的速度也越快。他和研究小组耐心地把每一个远处的星系发出的光分离出来，经过折射和分析，尽可能地建构出一个最完整的图像。正如他们预料的，他们发现氢气和氦气是所有星系主要的成分，这只是肯定了胡金斯所看到的现象。比较惊人的是，他们所分析的光都有红移的现象。换句话说，每个星系似乎都在远离我们。从他们所看到的变光星可以发现那些星系比任何人所想象都更远，有些甚至远在数十亿光年之外。所以哈勃和他的小组所看到的光走过一段很远的距离，显示出这些星系在80亿年前的状态以及演变的情形。此光的红移程度比任何其他的星系更显著，换句话说，最古老和最遥远的星系正快速远离我们，比起其他较接近我们的星系要快得多。
