⑤星係、類星體相互之間都有成協的現象，即這些天體兩兩或更多相距較近並有物理聯係。觀測表明，有些成協天體間紅移值相差較大，有些類星體光譜中的吸收線與發射線互不相同，而且不同的吸收線有各不相同的紅移值，稱為多重紅移。
既然這些紅移不能用多普勒效應解釋，那麼它產生的原因究竟是什麼呢。光在發射時固然有許多因素影響它的頻率，但宇宙中這麼多天體都如此有規律地隻隨著遠離我們的距離而變化，就難以理解了。光在它漫長的傳播路徑上經曆了幾億至上百億年的歲月，這期間必然比它在發射的一瞬間有更多的因素影響著它的頻率。現在人們了解到，在星係際空間中存在著星係際介質，它的密度在10E-29克／立方厘米以下。成分與銀河係的大致相同。除了有能對星光產生可見效應的星係際氣體、塵埃和固態物質、低光度星體外，還有大量的基本粒子。
據估計，星係間基本粒子的質量占了整個宇宙總質量的絕大部分，它們是看不見的。
光與介質的相互作用是複雜的，介質不僅能吸收光，還能再發射光；再發射的光，其頻率不僅僅隻是原有的頻率，還有其他的頻率，隻是在原有頻率及其附近強度最大。其實，人們早已熟知光子在傳播過程中由於與介質的相互作用會逐漸轉變成低頻的光子。但過去人們認為這隻會使譜線衰減而不會產生紅移。
由惠更斯原理知道，波前上所有粒子產生的子波疊加後能形成具有新頻率的平麵波。新產生的頻率疊加在原有頻率上的結果，不像通常認為的那樣譜線會被平滑而消失，而是譜線被整體地移動，在遠距離傳播中，光的頻譜的變化就好像在譜卒域中傳播的波一樣。這裏頻率域相當於弦，光譜的強度相當弦的振幅，一條譜線對應於弦上的一個波峰，弦上波峰的傳播對應於譜線在頻率域中傳播。這種新型的波叫頻域波。如果新產生的頻率電較原來頻率低的能量大於較原來頻率高的能量，頻域波向低頻端傳播，形成譜線紅移；反之，頻域波向高頻端傳播，形成譜線紫移。由實際經驗知道，通常總是低頻成分多於高頻成分，所以實際上常觀測到紅移。
星係際空間是充滿介質的，星光必須通過介質才能到達地球，所以光譜線必定會紅移，而且距離越遠紅移量越大，這與哈勃公式是一致的。對宇宙紅移來說，應先扣除介質產生的紅移效應，剩餘部分才可能解釋成多普勒效應，這是處理觀測數據所必需的步驟。但以前在得出膨脹宇宙模型時，並沒有做這件工作，扣除後的結果無非是3種情況：①全部扣完，宇宙是穩定的。②還有剩餘，宇宙是膨脹的。不過，這時膨脹速度要比現在認為的速度慢得多，宇宙的年齡也比現在算出的大許多。③是負值，宇宙正在收縮。由於我們目前對宇宙空間的情況了解甚少，雖然對地球上的介質與波的相互作用知道一些，但畢竟對在星係際空間中實際發生的情況知道甚微，也許還有些重要的相互作用沒有認識到，介質產生紅移扣除的結果很難認為是已經完成。也許我們應當反過來，即從宇宙紅移來反推星係際介質的情況，這是因為，我們所看到的宇宙是有層次的，有行星、恒星、星團、星係，星係團，總星係等，它們的平均密度呈指數下降，這些都說明宇宙是不均勻的。地球繞太陽轉動，太陽繞銀河係中心轉動，銀河係繞本星係團的中心轉動，星係團又繞以宇宙背景輻射所表征的經過平均後的星係際空間的介質運動，宇宙也不是各向同性的。這是我們所能看見的最遠的宇宙的情況。
大家知道。對於一個引力係統來說，隻有具有一定的角動量（旋轉）才可能維持比較穩定的結構。因此，我們觀察到的宇宙是比較穩定的，可以認為宇宙紅移主要是光通過星係際介質時的頻域波。正如上麵談到的，宇宙是膨脹的，穩定的還是收縮的，要扣除星係際介質的效應後才能確定。而扣除介質的效應需要對星係際介質有較詳細的了解，這在目前還難以做到。也許應該從我們所觀測到的宇宙是較穩定的旋轉係統出發，用紅移資料來反推介質的情況。人類就是這樣在不斷探索中來認識宇宙的。
8．推測宇宙的未來
19世紀的熱力學預言了宇宙會因為“熱寂”而死亡，20世紀的宇宙學再一次問詢“世界末日”：宇宙會滅亡嗎？地球會消失嗎？生命會終止嗎？人類還會繼續存在嗎？這是19世紀英國著名詩人斯溫伯恩描寫宇宙“熱寂”狀態的詩句：不論是星星還是太陽，都將不再升起，到處是黑暗一片；沒有溪流的潺潺，沒有聲響，也沒有景色，沒有冬天的枯葉，也沒有春天的嫩枝；沒有白天，沒有白天勞動的歡樂，甚至沒有夜晚，因為沒有夜晚的夢幻。科學預言：宇宙將進入死寂的永恒狀態。
“熱寂”說是19世紀中期英國物理學家開爾文和德國物理學家克勞修斯根據熱力學第二定律所作的宇宙學推論。該理論認為，整個宇宙是朝著單一的方向變化的，宇宙中一切機械的、物理的、化學的、電磁的、生命的等等各種能量，最終將全部轉化為熱能。而熱又總是自發地從高溫部分流向低溫部分，直至到達溫度處處相等的熱平衡狀態為止。按照克勞修斯的說法，“宇宙的熵趨向於極大。宇宙越是接近於熵極大的極限狀態，進一步變化的能力就越小；如果最後完全達到了這個狀態，那就任何進一步的變化都不會發生了，這時宇宙就會進入一個死寂的永恒狀態”。
“熱寂”說這一熱力學第二定律的宇宙學推論是否正確，引發了科學界和哲學界持續１００多年的爭論。由於涉及到宇宙未來和人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的範圍已經遠遠超出科學界和哲學界，成為近代史上一樁最令人關注的文化疑案。
１００多年來，盡管人們在孜孜不倦地尋求這一疑難問題的最後答案，然而，無數英雄為之競折腰。難怪大哲學家羅素發出這樣悲觀的感歎，“一切時代的結晶，一切信仰，一切靈感，一切人類天才的光華，都注定要隨太陽係的崩潰而毀滅。人類全部成就的神殿將不可避免地會被埋葬在崩潰宇宙的廢墟之中———所有這一切，幾乎如此之肯定，任何否定它們的哲學都毫無成功的希望。惟有相信這些事實真相，惟有在絕望麵前不屈不撓，才能夠安全地築起靈魂的未來寄托”。即使像控製論之父維納這樣的科學巨匠，最終也“控製”不住自己沮喪的感情，幾乎是在絕望中悲歎，“我們遲早會死去，很有可能，當世界走向統一的龐大的熱平衡狀態，那裏不再發生任何真正新的東西時，我們周圍的宇宙將由於熱寂而死去，什麼也沒有留下……”
42、絕處逢生：膨脹的宇宙不會“熱寂”
長期以來，對“熱寂”說的回答，無論從科學上還是從哲學上似乎都未能切中要害，缺乏說服力。20世紀六七十年代以後，“大爆炸”宇宙模型逐漸得到天體物理學界公認，“熱寂”說這朵漂浮在物理學上空的“烏雲”逐漸雲開霧散，人類陰霾籠罩的心頭終於迎來了一片朗朗晴空。
特別令人矚目的是，1994年10月，《科學美國人》雜誌以“宇宙中的生命”為主題隆重推出專刊，其中登載了四位著名科學家的綜述，全麵介紹了當代天體物理學界關於宇宙起源與演化問題的研究成果——大爆炸宇宙模型。該理論認為，宇宙大約是在100～200億年以前，由高溫高密的物質與能量的“大爆炸”形成。隨著宇宙的不斷膨脹，其中的溫度不斷降低，物質密度也不斷減小，逐漸衍生成眾多的星係、星體、行星等，直至出現生命。宇宙大爆炸理論是20世紀科學研究的重大成就，是基於幾十年的創新實驗與理論研究的結果。因而獲得了科學界的公認，並成為現代宇宙學的標準模型。
大爆炸宇宙理論得到了三個強有力的直接證據的支持，即哈勃紅移、氦元素豐度和3K微波背景輻射。
1929年，美國天文學家哈勃研究了前人測量的星係距離資料後發現，遠星係光譜線的顏色要比近星係的稍紅一些。哈勃仔細測量了這種紅化，發現它呈係統性變化。而且，星係愈遠，光譜線紅移愈大。在進一步測定了許多星係光譜中特征譜線的位置後，哈勃證實了這個效應，並指出紅移現象的產生，是由於星係在退行而使光波變長的結果。由此，他總結出著名的哈勃定律：星係退行的速度與距離成正比。據哈勃定律人們會很自然地得出宇宙在膨脹的推論。這個重大發現奠定了現代宇宙學———大爆炸理論的基礎。
支持大爆炸宇宙論的第二個證據是宇宙中氦元素豐度的預言和測定。大爆炸發生一秒鍾以後，宇宙是由極高溫的基本粒子組成的“羹湯”，這時整個宇宙處於均勻的熱平衡態。隨著宇宙的膨脹和降溫，其中的一些粒子逐次與其餘部分粒子脫耦。此時產生的核反應使中子和質子聚合在一起，形成氦核，餘下的核子（沒有聚合的質子）自然就形成了氫核。精確的理論計算表明，當時應有23．6％的物質質量聚合成了氦核。英國皇家格林尼治天文台對眾多星係中原始星雲的發射光譜進行觀測的結果表明，宇宙中氦的實際豐度為23．5％。這一結果與大爆炸的理論預言極為相符。
支持大爆炸理論的第三個證據是3K微波背景輻射的發現。大爆炸理論預言，現在的宇宙中應該存在著一種來自宇宙早期的微波背景輻射，它是宇宙早期的遺跡，頻譜應該符合普朗克黑體輻射公式，溫度約為3K。這一預言在1965年被射電天文學家彭齊亞斯和威爾遜在宇宙觀測中證實，此後亦為眾多科學家進一步證實。這一結果表明，宇宙早期曾一度處於平衡態，處處都有相同的溫度，而且物質分布也是相當均勻的。大爆炸之後，宇宙才逐漸偏離熱平衡態。
實際上，解決宇宙“熱寂”疑難的關鍵，應從宇宙中是否存在熱平衡態這一根本性問題著手。現在，大爆炸理論直接證明了宇宙在膨脹，而宇宙在膨脹則是熱力學和宇宙學相容的關鍵，那麼在一個膨脹的宇宙中是否存在著熱平衡態呢？要回答這一問題，還得從宇宙膨脹的原因說起。
宇宙膨脹的原因是由於引力的作用。在不考慮引力的經典熱力學中，加熱則體係升溫，冷卻則體係降溫，熱容量是正值。而在一個自引力體係中情況剛好相反，加熱則體係變冷，放熱則體係升溫，熱容量是負值。在一個體係中，如果同時存在著正熱容物體和負熱容物體，那麼這個體係就具有極大的不穩定性。稍有擾動，平衡就會徹底遭到破壞而產生溫差。隻要有自引力體係存在，原則上就不存在穩定的熱平衡，而宇宙間的天體或天體係統大多數正是這種自引力係統。盡管自引力係統中熵是增加的，但由於沒有熱平衡，熵的增加是無止境的，永遠都沒有極大值，因而宇宙就永遠不可能達到“熱寂”狀態。這種現象在靜態宇宙模型中是不可能發生的，也是開爾文和克勞修斯等人沒有料想到的。
於是，人類終於從百年夢魘中醒來，爆發出熱情的歡呼，“宇宙不但不會死，反而會從早期的熱寂狀態（熱平衡態）下生機勃勃地複蘇”，“熱寂說的一頁，已被翻過去了”！