Galaksi dan alam semesta yang berkembang
Einstein dengan segera menerapkan teori gravitasi ke alam semesta secara keseluruhan, menerbitkan makalah kosmologi pertamanya pada tahun 1917. Oleh kerana dia tidak begitu mengetahui karya astronomi baru-baru ini, dia menganggap bahawa alam semesta itu statik dan tidak berubah. Einstein menganggap bahawa bahan diedarkan secara seragam ke seluruh alam semesta, tetapi dia tidak dapat mencari penyelesaian statik untuk persamaan bidangnya. Masalahnya ialah bahawa graviti bersama semua perkara di alam semesta cenderung menjadikan alam semesta berkontrak. Oleh itu, Einstein memperkenalkan istilah tambahan yang mengandungi faktor Λ, "pemalar kosmologi." Istilah baru ini memberikan daya tolak kosmik sejagat, yang dapat bertindak pada jarak yang jauh untuk mengatasi kesan graviti. Ketika dia kemudian mengetahui pengembangan alam semesta, Einstein menggambarkan pemalar kosmologi sebagai kesalahan terbesar dalam kariernya. (Tetapi pemalar kosmologi telah kembali ke akhir kosmologi abad ke-20 dan abad ke-21. Walaupun Einstein salah, dia sering menghadapi sesuatu yang mendalam.)
Penyelesaian statik Einstein mewakili alam semesta dengan jumlah terhingga tetapi tanpa tepi, kerana ruang melengkung kembali pada dirinya sendiri. Oleh itu, pengembara khayalan dapat melakukan perjalanan selamanya dalam garis lurus dan tidak pernah sampai ke pinggir alam semesta. Ruang mempunyai kelengkungan positif, sehingga sudut dalam segitiga bertambah hingga lebih dari 180 °, walaupun kelebihannya hanya terlihat pada segitiga dengan ukuran yang cukup. (Analogi dua dimensi yang baik adalah permukaan Bumi. Ia adalah kawasan yang terbatas tetapi tidak mempunyai kelebihan.)
Pada awal abad ke-20, kebanyakan ahli astronomi profesional masih percaya bahawa Bima Sakti pada dasarnya sama dengan alam semesta yang dapat dilihat. Seorang minoriti percaya pada teori alam semesta pulau - bahawa nebula lingkaran adalah sistem bintang yang sangat besar, setanding dengan Bima Sakti, dan tersebar melalui ruang dengan jarak kosong yang luas di antara mereka. Satu keberatan terhadap teori pulau-alam semesta adalah bahawa sangat sedikit lingkaran yang terlihat di dekat bidang Bima Sakti, yang disebut sebagai Zona Pengelakan. Oleh itu, lingkaran mesti menjadi sebahagian daripada sistem Bima Sakti. Tetapi ahli astronomi Amerika, Heber Curtis menunjukkan bahawa beberapa lingkaran yang dapat dilihat dari tepi jelas mengandung sejumlah besar debu di bidang "khatulistiwa" mereka. Orang mungkin juga mengharapkan Bima Sakti mempunyai sejumlah besar debu di seluruh pesawatnya, yang akan menjelaskan mengapa banyak lingkaran yang redup tidak dapat dilihat di sana; jarak penglihatan hanya dikaburkan pada garis lintang galaksi rendah. Pada tahun 1917, Curtis juga menjumpai tiga novel pada gambar spiralnya; samar-samarnya novel ini menunjukkan bahawa lingkaran berada jauh dari Bima Sakti.
Watak statik alam semesta segera dicabar. Pada tahun 1912, di Balai Cerap Lowell di Arizona, ahli astronomi Amerika, Vesto M. Slipher telah mulai mengukur halaju radikal nebula spiral. Spiral pertama yang diperiksa oleh Slipher adalah Andromeda Nebula, yang ternyata berwarna biru - bergerak menuju Bima Sakti — dengan kecepatan pendekatan 300 km (200 batu) sesaat, halaju terbesar yang pernah diukur untuk cakerawala objek sehingga masa itu. Menjelang tahun 1917 Slipher mempunyai kecepatan radial untuk 25 spiral, beberapa setinggi 1.000 km (600 batu) sesaat. Objek yang bergerak dengan kelajuan seperti itu hampir tidak dapat dimiliki oleh Bima Sakti. Walaupun beberapa di antaranya berwarna biru, sebahagian besarnya berubah warna, sesuai dengan gerakan menjauh dari Bima Sakti. Namun, para astronom tidak segera menyimpulkan bahawa alam semesta sedang berkembang. Sebaliknya, kerana spiral Slipher tidak didistribusikan secara merata di seluruh langit, para astronom menggunakan data tersebut untuk berusaha menyimpulkan halaju Matahari sehubungan dengan sistem lingkaran. Sebilangan besar spiral Slipher berada di satu sisi Bima Sakti dan surut, sementara sebilangan kecil berada di sisi lain dan menghampiri. Bagi Slipher, Bima Sakti itu sendiri merupakan lingkaran, bergerak sehubungan dengan bidang lingkaran yang lebih besar.
Pada tahun 1917 ahli matematik Belanda Willem de Sitter menemui satu lagi penyelesaian kosmologi statik dari persamaan medan, berbeza dengan Einstein, yang menunjukkan hubungan antara jarak dan pergeseran merah. Walaupun tidak jelas bahawa penyelesaian de Sitter dapat menggambarkan alam semesta, kerana tanpa jirim, ini mendorong para astronom untuk mencari hubungan antara jarak dan pergeseran merah. Pada tahun 1924, ahli astronomi Sweden Karl Lundmark menerbitkan kajian empirik yang memberikan hubungan kira-kira linear (walaupun dengan banyak penyebaran) antara jarak dan halaju putaran. Kesukarannya adalah dengan mengetahui jarak yang cukup tepat. Lundmark menggunakan novae yang telah diperhatikan di Andromeda Nebula untuk menentukan jarak nebula itu dengan menganggap bahawa novae ini akan memiliki rata-rata kecerahan mutlak yang sama dengan novae di Bima Sakti yang jaraknya hampir diketahui. Untuk spiral yang lebih jauh, Lundmark menggunakan anggapan kasar bahawa spiral tersebut harus mempunyai diameter dan kecerahan yang sama dengan Nebula Andromeda. Oleh itu, novae berfungsi sebagai lilin standard (iaitu objek dengan kecerahan yang ditentukan), dan untuk lingkaran yang lebih jauh, lingkaran itu sendiri menjadi lilin standard.
Dari segi teori, antara tahun 1922 dan 1924 ahli matematik Rusia Aleksandr Friedmann mengkaji penyelesaian kosmologi nonstatik untuk persamaan Einstein. Ini melampaui model Einstein dengan membenarkan pengembangan atau pengecutan alam semesta dan di luar model de Sitter dengan membiarkan alam semesta mengandungi jirim. Friedmann juga memperkenalkan model kosmologi dengan kelengkungan negatif. (Di ruang yang melengkung negatif, sudut segitiga bertambah hingga kurang dari 180 °.) Penyelesaian Friedmann tidak banyak memberi kesan langsung, sebahagiannya kerana kematian awalnya pada tahun 1925 dan sebahagiannya kerana dia tidak menghubungkan karya teorinya dengan pemerhatian astronomi. Ini tidak membantu bahawa Einstein menerbitkan nota yang mendakwa bahawa kertas Friedmann tahun 1922 mengandungi kesalahan asas; Einstein kemudian menarik balik kritikan ini.
