在十九世纪中，天文学的观测范围因技术上的一些进步而大大地扩大了；这些技术上进步主要是制造更大的反射望远镜，考察星体的光谱，和采用摄影技术。黑体辐射学说的应用，使得星体的表面温度可以测算出来，而原子物理学理论启发了人们用核反应来解释星体发出辐射时的温度和辐射速度。在另一方面，这些新方法所提供的知识，使威廉？赫舍尔在十八世纪末所提出的见解更加精确地得到证实，如银河是一个独立的恒星系，太阳只是其中一员，而那些小的白色星云则是更远得多的同样恒星系。恒星系的大小，它们的相对速度和相隔的距离，现在都可以测算出来，为已知宇宙的空间广度提供了数值，为宇宙的历史提供了一个时间尺度，不过特别在时间估计上，因计算者的理论观点不同而存在着很大的出入。
第一次对太阳系范围以外的空间测算，是根据最邻近一些恒星的视运动在地球绕日的周年运动中测算它们的距离。这种视差运动，除去光行差的影响，是由亨德森（Herderson）于公元1832年在南非洲第一次进行观测的，而且被贝塞尔（Bessel，公元1784－1846）在科尼希斯贝格和斯特鲁维（Struve，公元1794－1864）在普尔科沃用来测定恒星的距离。这种恒星视差的方法只能用来测定较近恒星的距离，但在公元1912年却发现另一种测定更远距离的方法。人们发现亮度经常变化的恒星分为两类：第一类是周期地互食的双星，第二类是脉动星，叫做造父变星，它们的特点是亮度以一种特殊方式随着时间变化。莱维脱女士（Miss Leavitt）于公元1912年在哈佛发现同周期的造父变星具有相同的亮度。因此，最邻近造父变星的距离一旦用恒星视差方法测定以后，所有其他同周期变星的距离，都可以根据它们的视亮度，运用光强度随距离平方减弱定律测算出来。另一个方法，原则上差不多，不久也被人发明了，所根据的是有同样光谱的恒星具有相同的本身亮度的假设，所以从它们的视亮度就可以测定它们和地球的相对距离。
公元1918年威尔孙山的100英寸反射望远镜装置起来了，沙普勒（Shapley）就用这具望远镜采用上述那些测算恒星距离的方法，来测量我们银河的形状和大小。他发现银河系是一个扁平的盘，它的切面就是银河的切面，它的直径约为光在一年中所走距离的300，000倍，或300，000光年，它的厚度约为10，000光年。公元1924年哈勃（Hubble）也在威尔逊山检查了那些白色小星云，发现这里面有许多都具有螺旋形结构，即罗斯爵士（Rosse） 公元1845年在爱尔兰第一次观察到的那一种，哈勃并且成功地把一些较近的旋涡星云分为许多个别的恒星，并在其中找到一些造父变星。他因此得以证明这些旋涡星云离开太阳系的距离约为1，000，000光年，刚好处在银河恒星系的外面。哈勃并且进一步证明邻近星云的亮度大致都是平均亮度的一半到两倍，比个别恒星的亮度分布集中得多。因此较暗淡的星云就可以根据它们的视亮度来测定它们的距离；哈勃就这样发现我们所能见到的最远星云离开我们约为五亿光年。
另一条重要的研究途径是根据奥地利物理学家多普勒（J.C.Doppler，公元1803－1853）在公元1845年所宣布的原理发展起来的，就是波动源的运动改变波的频率的原理一种相对于观察者的退行速度使波动频率降低，以光来说，辐射就会变得较红，而前进的速度则提高频率，使光的振动移向光谱的紫端。根据多普勒的原理，威廉？哈根斯（William Huggins， 公元1824－1910）于公元1868年在伦敦证明天狼星以每秒二十九哩的速度退离太阳系。公元1912年斯里弗尔（V.M.Slipher）在美国的洛韦尔天文台用同样方法发现仙女星云以每秒125哩的速度接近太阳系，但到了公元1917年他却发现这种情形是罕见的，多数的邻近星云都是以每秒400哩的视速度退行。公元1929年赫马森（M.L.Humason）在威尔逊山考察了较远星云的光谱，发现星云离太阳系愈远，它们的辐射在光谱上的红移就愈加厉害。公元1930年哈勃提出一个定律，即星云所发出光线的红移和星云退离太阳系的距离成正比。根据多普勒原理，哈勃的定律表明每个星云都以其和我们银河系距离成正比的速度向后退离，最远星云的退行达到光速七分之一的巨大速度。
如果我们假定星云已往的退行速度一直是不变的，那末星云在十八亿年前就是聚集在一起的了。在这以后，星云就相互离开，这一事件标志了宇宙的可测量时间的开始，并给宇宙的年龄定出一个限度。可是爱丁顿（Eddington）设想星云的退行速度是随着时间不断增加的，因此宇宙的过去年龄的最高限度当在一百亿到九百亿年之间。另外一些人则主张红移根本不是多普勒效应的结果，而星云是停止不动的。弗里兹？兹威基（Fritz Zwicky，公元1898）设想红移起源于星系间的物质在光线通过时的引力影响，而麦克米伦（E.M .MacMillan）也同样认为，星云的辐射在通过巨大的星系际空间逐渐丧失能量，这种效果正如哈勃定律所要求的那样，辐射源离观察者愈远就愈加显著。米尔恩（E.A .Milne，公元1896－1950）指出，辐射的发射定律可能随时间变动，因此遥远星云在五亿年前发射的光线，今天在地球上望去必然要比目前相应的辐射红些。根据恒星好象具有同等能量的事实，金斯（J.Jeans，公元1877－1946）早先曾经算出，宇宙过去年龄的最高限度是1012－1013年，他根据的假说是天体之间的能量分布在开头是不均匀的。
这类关于宇宙过去时间的估计，出入相当地大，因为它们在很大程度上都视所依据的特殊宇宙学说而定，视其假定宇宙空间是有限还是无限，是欧几里得几何性质还是非欧几里得几何性质，是膨胀的还是静止的而定，而如果宇宙在膨胀着，它在某一时期的膨胀率又是怎样。例如金斯的估计，由于是在广义相对论问世以前，所以估计的全部依据都值得怀疑。二十世纪的宇宙说，和十九世纪的以太学说一样的多、一样花色频繁，而且这些学说在某种意义上可以说是以太学说的历史继承者。这些宇宙学说和以太学说都属于一个传统，都是企图以一种宇宙连续区来解释自然现象，宇宙学说采用的是几何性的时空连续区，以太学说采用的是一种机械的弥漫空间的以太。爱因斯坦的研究工作也属于这个传统；他以自己的相对论杜绝了以太模型的臆造和发明，建立了本世纪的第一个宇宙模型。
公元1917年爱因斯坦考察了宇宙的空间和物质是限还是无限的问题。马赫曾经认为物体的质量是由宇宙内其余物质决定的；爱因斯坦采纳了马赫的看法，指出在无限量的物质里，每一物体当会具有无限的质量和惯性。另一方面，如果宇宙在欧几里得的空间内有一个有限的边界，宇宙内部的物质就不会和宇宙外部的空间保持平衡，而这样一个世界就不会形成一个稳定体系。为了克服这些困难，爱因斯坦就设想宇宙可能有一个有限的体积，但是没有固定的边界；这情形可以从设想三维空间就象一个二维空间的球面而领会出来，因为球面有固定的面积，但是没有边界，也就是说它的面积没有边缘。球面所有点的面积都是相互对称和等值的，而三维空间的情形也类似这样。由于这个缘故，球体空间内物质的单位体积将全都是一样的，而且不会象欧几里得空间的有限宇宙中的粒子有处于特殊边缘的情况。正因为没有特殊的边界，所以爱因斯坦宇宙里的所有观察者都是同等的，观察着同样现象并获得同样知识，正如狭义相对论所要求的那样。
根据广义相对论，一个物质集体是和一个局部的空间曲率联系着的，这种曲率本身就表现为一个引力场。因此空间曲率在爱因斯坦的宇宙的每一点上都有所不同，但是通过把那些曲率平滑化，或者换一种说法也是一样，通过求得宇宙内物质在整个宇宙空间的平均值以后，就有可能获得空间的总平均曲率。爱因斯坦宇宙的物质单位体积数因此是决定其球形空间曲率半径的，正如组成一个球面的单位面积数决定球面的半径一样的。爱因斯坦推导出有关空间平均曲率和宇宙中物质数量关系的表式，然后计算了宇宙的质量和宇宙空间的曲率。他所依据的假说是我们自己的局部星系团，银河系、仙女座和其他星系的物质密度，和宇宙其余部分的物质密度是一样的。
爱因斯坦是在遥远星云的巨大红移被观察到之前构造他的宇宙模型的。他假定宇宙中天体的速度比起光速来要慢得多，因此他的宇宙的空间结构并不随着时间变动。说实在话，时间在爱因斯坦的宇宙里是单独的一维，时－空是一个类似圆筒形的四维结构，是球形空间和直线时间的结合。爱因斯坦采纳马赫的说法，假定一个粒子在一个没有其他物质的宇宙里，就会不存在质量或惯性，但是德希特在公元1917年则指出，如果空间和时间合成一个类似球形的四维结构，就不一定会是这种情形。一个试验质点，诸如一个星云，放进爱因斯坦的宇宙里，如果对它的观察者没有相对的初始运动，就会始终处于静止状态，但在德希特的宇宙里，它就会立即以越来越快的速度退行。德希特的宇宙充满了运动，但是不含有物质，而爱因斯坦的宇宙则是充满了物质而没有运动。两种模型都各趋极端；后来人们认为这两种模型可能代表宇宙进化的开始或者终结，但不是当前的宇宙模型。
爱因斯坦的宇宙是充满物质的，其稳定性基于引力吸引和一种宇宙斥力之间的平衡，而德希特宇宙是空的，被宇宙斥力统治着。在哈勃定律发表以后，人们一般对这条定律的理解都认为这意味着宇宙在膨胀着；爱丁顿和他以前的学生勒梅特（Lemaitre，公元1895－1966）证明爱因斯坦的宇宙是不稳定的，如果受到扰动，就会膨胀或者收缩，这要看扰动有利于宇宙斥力抑或引力而定。如果爱因斯坦的宇宙在膨胀，那些星云相互就会退行，最后使宇宙的物质密度达到零，而出现德希特宇宙的那种情况。爱因斯坦和德希特在公元1932年表明，如果宇宙是如哈勃定律暗示的那样在膨胀着，宇宙的模型就可能是一个有限数量的物质在无限的欧几里得空间里膨胀着。哈勃本人赞成一种静止的欧几里得宇宙模型，因为根据膨胀模型所作的计算，表明宇宙间的物质数量比所有星云含有的物质数量加在一起，要大上一千倍光景。哈勃深信，这样多的物质，以星系际宇宙尘的形式存在着，所吸收的光线将会比星系际空间实际丧失的光线多得多。
还有人提出了几种别的宇宙模型，它们的分歧在于要确定一个宇宙模型需要三种量，其中只有两种可以通过观测决定。这三种未知量是宇宙的质量、空间的曲率和一个宇宙常数；这个常数是爱因斯坦为了适应马赫关于物体质量由宇宙其余物质决定的要求而提出的。爱因斯坦的宇宙斥力理论就是根据这个宇宙常数来的。那两个可以通过观测决定的量是宇宙的膨胀率，根据红移是多普勒效应的假说来测量。宇宙中物质的平均密度，根据这种平均密度和我们局部星系所观察到的物质平均密度一样的假说来确定。德希特在公元1932年举出宇宙模型可能有九种主要类型，根据宇宙常数和空间曲率可以是负数、零或者正数而定。
由于缺乏一个观测标准在各种可能的宇宙模型中作出抉择，有些宇宙学者，主要是爱丁顿，其次是米尔恩，就企图根据科学方法的基本程序推论出一个关于宇宙性质的理论体系。爱丁顿把科学家比作一个渔人，只能捕获不能穿过网眼的鱼，设想科学方法的特点是决定科学知识的内容和性质的因素。科学方法并不是一面反映宇宙性质的镜子，而是一只万花筒，靠它的构造决定我们看见的影象。有些批评家提出，科学方法的网不能决定所“捕获”和研究自然现象的定性特征，但是爱丁顿反驳这种论证说，科学只过问现象的定量和可测算方面，而不管其定性方面。
关于物理科学的方法，爱丁顿认为最基本的是长度的测量。他指出空间的测算涉及四种测定，观测一根标准量尺的两头，和观测所要测量的长度的两头。这样一种方法程序是物理科学的基础，爱丁顿并且认为这是和时－空有四维的基本观念分不开的。在发展他的体系时，爱丁顿企图不假定有任何在实验上决定了的数字，来算出属于纯数字的普适常数，诸如质子和电子质量的比率。他发现自然的纯数字普适常数主要分为三组，它们的数值是1080，1040和略低于2×103的数量级。爱丁顿表明第一组数值根据宇宙中粒子的总数值而定；第二组，N，根据N的平方根而定，而第三组则和N不发生关系。由于N是有限的，爱丁顿的计算是根据一个有限的宇宙模型，即爱因斯坦的静止模型的膨胀式样来进行的。他以质子质量来除爱因斯坦宇宙的质量，并且比较抽象地假定一个电子质量来自它的电荷和宇宙中存在的所有别的粒子；在这两种情况下，他得到的值都是1079数量级。
爱丁顿把长度的测量看作是物理学的基础，他注意的是有关宇宙结构形态的纯数值，而米尔恩则认为时间的测算是基本的，致力于研究宇宙过程的时间上运动。遵循着爱因斯坦，米尔恩采纳了宇宙内所有观察者都处于同等地位以及光速对这些观察者总是等效的见解。他然后表明长度的测定可以改为测定光走过这些长度的时间，从而取消掉爱因斯坦和爱丁顿在进行空间测量上认为不可缺少的刚性量杆。长度的测量因此是依时间的测量而定的，米尔恩并且指出，一般说来，关于宇宙空间结构的理论都离不开时间运动的理论。他指出，在观察遥远天体诸如星云时，我们必须承认一件事实，即它们的位置愈远，它们发出的光在宇宙的历史上的起程也就愈早。今天我们看见的较近星云的光约在1，000，000年前发出，而遥远星云的光则约摸在五亿年前发出，因此为要获得一幅宇宙在同时间内的图画，我们走得愈远，就愈来愈需要改正时间上的落后。但是所用的改正要看采用的时标而定，因此采用不同的时标就能够构成不同的宇宙模型。
米尔恩指出有两种时标是基本的。一种时标以光的振动作为时间单位，称为T时标，另一种接近于钟摆的时标，称为τ时标。如果采用T时标，来自星云的光的红移就表明星云以和我们银河系距离成正比的速度在退行，因为相对论要求，一个运动着的时间记录者所标志的时间单位，在星云的振动光源情况下，应当和时间记录者相对于观察者的速度按比例加长。为了说明退行现象，米尔恩在公元1932年指出，如果天体开头处在一个有限有空间内，任何以均速自由运动着的物体的集合，如我们会设想星云的运动那样，在一定时间后看上去将会以与它们之间距离成正比的速度相互退行，就象那些速度较快的星云在一定时间内一定会走得更远一样。这样一种效应将是热力学第二定律的一种体现，星云相互退行说象一堆气体分子在虚空的空间释放出去一样。根据T时标，哈勃定律因此表明星云过去是局限在一个小小的空间范围里的，只是约在二十亿前才开始相互退行的。
如果星云的数目是有限的，看来一个处在膨胀宇宙边缘的快速运动星云的观察者，他眼中看到的世界将会和一个处于在较慢星云上观察者看到的两样，因为运动慢的星云离开它们的发源的地区没有多远。这样看来，要保留宇宙间一切观察者都处于同等地位的原则，就得假定有无限数的星云，这样我们视力所能及的最远星云的观察者就能进一步望见我们望不到的星云。星云的数目既然无限，宇宙内所有的观察者都将看见一个显然具有CT 半径的球形世界，这里C是光速，而T 是星云开始退行后所经历的时间。
爱丁顿设想自然界的那些常数是从古到今不变的，它的数值为爱因斯坦宇宙模型的那些特征所决定，按照这个模型，宇宙是由膨胀而发展起来的。可是米尔恩表明，不管采用两种时标的哪一种，某些事物总要随时间产生一些变化。根据T时标的理论，引力常数和普朗克常数都随时间增加，因此物体会逐渐变重而亚原子事件就会更加测不准。根据τ时标，引力常数和普朗克常数始终不变，但是一个时间单位的光振动数在这种时标上就会逐渐增加，因此从一定光源发出的光的波长就随着时间变短了。从τ时标的角度看，过去的时间是无限的，而星云是稳定的，红移表明来自星云的光是在一定时间单位内光振动较少的那个时期产生的。
为了克服假定宇宙曾经有一个开端和只有约摸二十亿年年龄所造成的困难，剑桥大学的数学家邦迪（Bondi）和戈尔德（Gold） 于公元1948年，还有霍伊尔（Hoyle）稍后一点，都提出了另一个宇宙的无限存在的学说，即“连续创造”说。邦迪、戈尔德和霍伊尔把爱因斯坦的在空间中所有观察者都等效的原理，扩充到时间量纲里，假定宇宙对任何一个观察者看来都和过去任何时间看见的一样，而且在将来也是如此。这种被称作“完成的宇宙原理”，使他们设想在整个宇宙内物质以每秒每立方厘米10-43克的速率不断创造出来，企图以此来补充因星云退行所造成物质平均密度变得稀薄的趋向。这样一种创造率虽则小得无法觉察，但是可观察宇宙所产生的物质总量是很大的，它等于每秒产生出五百颗左右的恒星。
到目前为止，人们提出的关于宇宙空间和时间结构的形形色色学说，都是理论居多，观察较少；现在看来，这一领域的继续发展即使不随着经验知识增长前进，也会得到这方面的相当协助。例如美国于公元1949年在帕罗马山安装的200英寸反射望远镜就已经取得成果，表明宇宙的年龄一定是四十亿年的两倍，这就消除了“连续创造”说所要克服的一些困难。新的射电天文学比帕罗马山的望远镜更加深入空间，特别是剑桥大学的赖尔（M.Ryle）和他的同事的研究，证明在一定空间体积内的射电源的数目随着离开我们银河系距离的立方增长，和“稳定状态”论或“连续创造”说预言的结果都相反，表明在一定体积内的射电源数随着距离的增加应当不变，甚至下降。这类天文学技术的发展还可能冲击到天体物理学的其他部门，诸如恒星组成的研究，这对地球物质的实验研究也作出了贡献。
现代恒星组成学说是以观测为基础的；公元1913年亨？诺？罗素（H.N.Russell） 在普林斯顿大学观测到，一个大恒星群的亮度和它们的表面温度成比例。这些恒星形成一个单独的序次，罗素设想这种序次表现了星体演化总趋势的不同阶段。按照赫尔姆霍茨建议的引力收缩学说，罗素认为，恒星最初是由分散的星云状物质组成的，在引力影响下收缩，变得愈来愈热和愈来愈密，终于达到一种临界密度，使收缩不再能维持放出的辐射的量，于是恒星就逐渐冷下来。根据这种图式，恒星体积大的应当又红又热，在收缩后就变白，然后变蓝，最后在体积缩小而且冷下来时又变成红色。
可是亚当斯（W.S.Adams，公元1876－1956）于公元1914年在叶凯士天文台发现伴随天狼星的小星发出的光是白热体发射出来的那种光，而这颗星是一颗白矮星，而不是一颗红矮星，所以并不是所有小恒星符合罗素的分类。十年后，亚当斯发现天狼星的小伴星所发出的光显示出一种很大的引力红移，表明这颗星虽然体积很小，但是质量很大。亚当斯的发现支持了爱丁顿和金斯在几年前提出的假说，即一个原子的外电子壳层在恒星内部所获得的高温和高密度下电离了，使原子的体积大大缩小。恒星的引力收缩因此比以往想象的来得更加厉害，这样产生的物质密度比地球上所能遇到的密度大得不可以道里计。印度科学家科萨里（Kothari）和钱锥赛克哈（H.S.Chandrasekhar）表明比木星含有更多物质的星体就会产生足够压碎其内部原子的引力压力，因此这样一种星体的质量增加时，它的实际体积就会缩小。
爱丁顿和其他人都证明，多数恒星的密度并不很大，因此引力的收缩力被辐射的外向压力平衡了；这种外向压力随温度的四次方变化，在星体内部达到很高的数值。还有，星体内部从原子剥离的电子将象气体分子那样行动，在高温时产生一种压力，它和外层物质的引压力相对立。拿表面温度为六千度的太阳为例，爱丁顿计算出太阳内部的温度必须达到两千万度的高度，才能产生平衡引力收缩力的电子压力和辐射压力。他并且进一步表明，一颗恒星放出的辐射的总量取决于恒星的质量，而不取决于恒星的大小，因为有一定质量星体的收缩，将会引起温度的增高，以补偿放出辐射的表面区域温度的相应下降。根据这种理论，爱丁顿设法计算了太阳的理论发光度，假定太阳大部分是由中等原子量的元素组成，如铁及其在周期表上的邻近元素。这个理论数字超出实际数字约一百倍，爱丁顿由此而得出结论，太阳和其他恒星一定含有大量的氢。
随着原子物理学的发展，人们开始懂得在星体内部的高温下，剥去电子的那些原子的热速度，将是和实验室里用来研究核反应所用的人工加速粒子的速度属于同一数量级。因此看上去星体内部很可能就存在着核反应，而且就是这些核反应提供了辐射放出的能量。公元1938年贝蒂（Bethe）在康乃尔大学和魏扎克（Weizs？cker）在德国研究出一种核反应循环，把氢变为氦，这在太阳内部所获得的温度下是可以发生的。他们证明碳的质量为12的同位素能够接连和三个质子起反应，形成原子量愈来愈大的氮同位素，而氮的质量等于15的同位素和4个质子结合以后，就会产生一个氦原子并重新生出碳同位素。一个氦原子比四个质子稍微轻一点，这里丧失的质量就是在反应循环过程中转化为能的。某一恒星里面氢变为氦的比率，也就是辐射的发射率，依这个恒星所含的碳而定。根据太阳的光谱，可以估计出太阳含有百分之一的碳，贝蒂从这个数字证明，太阳内部碳－氮循环产生的能量的理论速率，是等于观测到太阳放出辐射的速率。
爱丁顿曾经根据他的恒星光度和质量的关系，估计太阳或者含有35%的氢，或者含有90%的氢。根据爱丁顿的低估计所作的计算，得出的太阳未来生命是350亿年，假定太阳目前放出能量的速率在整个时期中是平均的。公元1947年霍尔提出一些理由，赞成爱丁顿的高估计，并且设想太阳和恒星一般能从星际空间的物质补充它们的氢储备。
霍伊尔使人们注意到，星际空间和星系际空间存在高度分散物质的重要性。单以一件事为例，他曾经提出恒星在星际空间吸收的物体，可以导致形成双星系；两颗恒星所以形成这样一个体系是由它们向外的一面，而不是毗邻的一面，受到星际气体的大力冲击而推到一起的，因此这两个星就逐渐湊近，终于相互环绕起来。利特尔顿（R.A.Lyttleton）在公元1936年提出一个假说，认为太阳系说不定原是个双星系，后来从外空闯进一个恒星和太阳的伴侣撞上，太阳的引力场俘获了一些剩下碎块，这就形成了行星系。最近霍伊尔和利特尔顿在发展太阳系起源于双星的学说时，曾设想太阳的那个伴侣可能是一个体积小而密度大的星，它越是收缩就旋转的越快，终于分裂为许多碎块，其中有些就被太阳的引力场捕获了。支持这种理论的是，双星系两星之间的平均已知距离和太阳与行星物质总体之间的距离属于同一数量级。
[英]梅森
