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在讨论宇宙大爆炸理论之前，我们要对哈勃所做的工作有更多的了解。哈勃是通过观察星系的运动情况，从而得出了所有星系正在远离我们的结论，并且星系离我们的距离越远，远离我们的速度就越快。
当我们用天文望远镜观察宇宙的时候，能看到的只是发光的天体。那怎么知道某个天体离我们有多远呢？又怎么知道它在远离我们而去呢？难道是哈勃用的望远镜特别高级吗？
这里的关键技巧有两个，分别是光谱和多普勒效应。
在元素周期表上，已知有92种天然元素（不包含同位素）。
我们周围的物质都是由原子组成的。每种原子的内部结构不同，拥有不同的物理、化学性质。总的来说，原子的内部结构可以分为原子核和电子（electron）。其中原子核带正电荷，电子带负电荷，电荷之间同性相斥、异性相吸，静电荷之间的作用力叫库仑力（Coulomb's force），电子在原子核库仑力的吸引下围绕原子核运动。
原子有不同的能量等级，叫作能级（energy level），表现为电子在围绕原子核运动时所处的不同状态。量子力学神奇的地方就在于，原子内的能级不是任意的，而是只能取某些特定的值。物理定义：电子的能量是量子化的（quantized）。量子化的意思就是电子的能量可上可下，但是它上下的规律就像爬楼梯一样，只能取一些特定的值，能级之间有能量间隔，而不是像滑梯一样每个值都能取到。
图4-3 电子跃迁
物理学里还有一个重要原理，叫作能量守恒定律：能量不能凭空出现，也不能凭空消失。在一个封闭系统里，能量的总量保持不变。
当一个处在高能级的电子跳到低能级时，它的能量减小了。但根据能量守恒定律，这部分能量不能凭空消失，那它跑到哪里去了呢？答案是这部分能量会变成一个光子，从原子里射出。光子携带的能量，恰好就是电子从高能级运动到低能级所损失的能量。这种原子释放出光子的行为就是热辐射（thermal radiation）的成因。
因为电子的能量是量子化的，只能取特定的值，所以当电子在能级中跃迁时，发出的光子能量，也只能取某些特定的值。
然而光子的能量只与它的频率（frequency）有关，因此特定的原子产生的热辐射，它发出的光就只能是某几种特定的频率。
如果是可见光，不同频率就对应于不同的颜色。比如太阳光可以分为红橙黄绿蓝靛紫，从红光到紫光频率逐渐变高。我们去研究某种原子的热辐射现象时，把它发出的所有可能的光记录下来，就得到了它的光谱。比如氢原子的光谱对应的波长如图4-4。
图4-4 氢原子光谱
每一种原子都有唯一的光谱，两两不相同。也就是说，原子的光谱相当于它的“指纹”，看到光谱，就知道是哪种原子在发光，并且根据光谱中不同频率的光的强度，我们还能推测出发光的物质处在什么样的温度。
多普勒效应在生活中很常见，一辆汽车按着喇叭呼啸而来，你听到的声音先高后低，这其实就是多普勒效应。
多普勒效应说的就是，当声源和接收者存在相对运动时，接收者收到的声音频率会与声源发出的频率不同。具体的规律是，当两者相互靠近的时候，声音频率会变高，反之则降低。多普勒效应的物理过程可以这么理解，我们听到声音的时候，听到的其实是声波。声波就是空气的周期性振动，一次完整的振动可以被描述为一个“波包”（wave packet），从波头开始到波尾结束，前面一个波包的波尾就是后面一个波包的波头。你听到的声音变高了，本质是因为你的耳朵在单位时间内接收到了更多数量的波包。
一辆汽车按着喇叭呼啸而来，喇叭发出一个波头之后，还要继续发出波尾。但是当它真的发出波尾的时候，在这一段振动周期里，相对于接收者来说，声源已经往前运动了一段距离。也就是说，当波尾传到接收者耳朵里的时候，它要跨越的距离比波头要跨越的距离短。波尾到达耳朵的时间，就比汽车不动的情况下用的时间要短。因此，接收者接收到的一个完整波包所用的时间，相较于汽车静止的情况下缩短了，在单位时间里，接收者接收到了更多的波包，声音的频率就变高了。
图4-5 声波的不同接收
当汽车在远离的情况下，波尾发出的时候，汽车相对于接收者已经远离了一段距离。波尾要比波头花更长的时间才能传到人的耳朵里。因此在单位时间里，接收者接收到的波包就减少了，对他来说，声音的频率就变低了。
多普勒效应不仅适用于声波，对一切波都有用。光，也就是电磁波，电场和磁场在传播过程中进行着交替振动，也存在多普勒效应。
同理可证，当光源在向接收者靠近的时候，接收者接收到的光的频率比光源发出的原频率要高，在天文学上叫作蓝移（blueshift）；当光源在远离接收者的时候，接收者接收到的光的频率比原频率要低，叫作红移（redshift）。因为在光谱上，频率变低是往红光的方向运动，频率变高则是往蓝光的方向运动。
有了光谱以及多普勒效应这两个工具，我们就能够通过天文观测，算出天体离我们有多远，以及它们是正在远离、靠近，还是不动。
图4-6 电磁波