Галактики и разширяващата се вселена
Айнщайн почти веднага приложи своята теория за гравитацията върху Вселената като цяло, като публикува първата си космологична книга през 1917 г. Тъй като не беше добре запознат с скорошната работа в астрономията, той предположи, че Вселената е статична и непроменяща се. Айнщайн предположи, че материята е разпределена равномерно в цялата Вселена, но той не може да намери статично решение на своите полеви уравнения. Проблемът беше, че взаимното гравитация на цялата материя във Вселената би имало тенденция да направи Вселената свита. Следователно Айнщайн въведе допълнителен термин, съдържащ фактор Λ, „космологичната константа“. Новият термин осигурява универсална космическа отблъскваща сила, която може да действа на големи разстояния, за да противодейства на ефектите на гравитацията. Когато по-късно научи за разширяването на Вселената, Айнщайн описа космологичната константа като най-голямото промаха в кариерата му. (Но космологичната константа се е прокраднала в космологията на края на 20-ти и 21-ви век. Дори когато Айнщайн греши, той често се намираше на нещо дълбоко.)
Статичното решение на Айнщайн представляваше вселена с ограничен обем, но без ръбове, като пространството се извиваше обратно върху себе си. По този начин един въображаем пътешественик може да пътува завинаги по права линия и никога да не стига до ръба на Вселената. Пространството има положителна кривина, така че ъглите в триъгълник добавят повече от 180 °, въпреки че излишъкът би бил видим само в триъгълници с достатъчен размер. (Добра двуизмерна аналогия е земната повърхност. Тя е ограничена по площ, но няма ръб.)
В началото на 20 век повечето професионални астрономи все още вярвали, че Млечният път е по същество същото като видимата Вселена. Едно малцинство вярва в теорията за островните вселени - че спиралните мъглявини са огромни звездни системи, сравними с Млечния път и са разпръснати в пространството с огромни празни разстояния между тях. Едно възражение срещу теорията на острова-вселената беше, че много малко спирали се виждат в близост до равнината на Млечния път, така наречената зона на избягване. По този начин спиралите трябва по някакъв начин да са част от системата на Млечния път. Но американският астроном Хебер Къртис посочи, че някои спирали, които могат да се гледат край, очевидно съдържат огромни количества прах в техните „екваториални“ равнини. Човек може също да очаква Млечния път да има голямо количество прах в цялата му равнина, което би обяснило защо много неясни спирали не могат да се видят там; видимостта е просто затъмнена при ниски галактически ширини. През 1917 г. Къртис открива и три нови на своите снимки със спирали; слабостта на тези новае предполагаше, че спиралите са на големи разстояния от Млечния път.
Статичният характер на Вселената скоро беше оспорван. През 1912 г. в обсерваторията Лоуъл в Аризона американският астроном Весто М. Слипър е започнал да измерва радиалните скорости на спиралните мъглявини. Първата спирала, която Слифър разгледа, беше мъглявината на Андромеда, която се оказа преместена в червено - тоест, движеща се към Млечния път - със скорост на приближаване 300 км (200 мили) в секунда, най-голямата скорост, измерена някога за всеки небесен обект до това време. До 1917 г. плъзгачът е имал радиални скорости за 25 спирали, някои от които достигат 1000 км (600 мили) в секунда. Предмети, движещи се с такава скорост, трудно биха могли да принадлежат към Млечния път. Въпреки че няколко бяха преместени в червено, преобладаващото мнозинство бяха преместени, което съответства на движението от Млечния път. Астрономите обаче не заключиха веднага, че Вселената се разширява. По-скоро, тъй като спиралите на Slipher не бяха разпределени равномерно по небето, астрономите използваха данните, за да се опитат да изведат скоростта на Слънцето по отношение на системата от спирали. По-голямата част от спиралите на Slipher бяха от едната страна на Млечния път и се оттегляха, докато няколко бяха от другата страна и се приближаваха. За плъзгача самият Млечен път беше спирала, движеща се по отношение на по-голямо поле от спирали.
През 1917 г. холандският математик Вилем де Ситер намери друго очевидно статично космологично решение на полевите уравнения, различно от това на Айнщайн, което показва връзка между разстоянието и червеното изместване. Въпреки че не беше ясно, че решението на де Ситер може да опише вселената, тъй като е лишена от материя, това мотивира астрономите да търсят връзка между разстоянието и червеното изместване. През 1924 г. шведският астроном Карл Лундмарк публикува емпирично проучване, което дава грубо линейно отношение (макар и с много разсейване) между разстоянията и скоростите на спиралите. Трудността беше в познаването на разстоянията достатъчно точно. Лундмарк използва новата, която е била наблюдавана в мъглявината на Андромеда, за да установи разстоянието на тази мъглявина, като приема, че тези нови ще имат същата средна абсолютна яркост като новата в Млечния път, чиито разстояния са приблизително известни. За по-далечни спирали Лундмарк се позова на грубите предположения, че тези спирали трябва да имат същия диаметър и яркост като мъглявината Андромеда. По този начин, новае функционира като стандартни свещи (тоест предмети с определена яркост), а за по-далечни спирали самите спирали се превръщат в стандартна свещ.
От теоретична страна, между 1922 и 1924 г. руският математик Александър Фридман изучава нестатични космологични решения на уравненията на Айнщайн. Те надхвърлят модела на Айнщайн, като позволяват разширяване или свиване на Вселената и извън модела на Де Ситер, като позволяват на Вселената да съдържа материя. Фридман представи и космологични модели с отрицателна кривина. (В отрицателно извито пространство ъглите на триъгълник достигат по-малко от 180 °.) Решенията на Фридман имат малко непосредствено въздействие, отчасти поради ранната му смърт през 1925 г. и отчасти защото той не е свързал теоретичната си работа с астрономически наблюдения. Не помогна, че Айнщайн публикува бележка, в която твърди, че книгата на Фридман от 1922 г. съдържа фундаментална грешка; По-късно Айнщайн оттегли тази критика.
