20세기 초에 발표된 알버트 아인슈타인의 상대성 이론은 과학자들이 우주를 보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 그의 특수 상대성 이론은 시간과 공간 그리고 물질과 에너지는 동등하며, 물체의 운동 상태에 따라 시간과 공간의 크기가 달라지고 물질과 에너지는 상호 변환될 수 있다는 사실을 밝혔다. 또 일반 상대성 이론은 질량-에너지와 시공 사이의 연관성을 보여 주면서 뉴턴의 중력 법칙을 수정하였다. 뉴턴은 중력을 두 물체의 질량 사이에 작용하는 힘으로 보았지만, 아인슈타인은 중력은 질량으로 인한 공간의 휘어짐의 결과이며 이러한 공간에서 빛도 같은 효과가 나타난다고 말한다.

아인슈타인은 1917년에 자신의 상대성 이론에 따른 우주 모형을 만들었다. 그런데 그의 방정식으로는 정적인 우주가 허용되지 않았다. 정적 우주를 믿었던 아인슈타인은 자신의 중력 방정식 속에 우주항을 넣어 정적 우주 모형을 만들었다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 아인슈타인의 우주는 정지해 있지 않았다. 그 사실은 알렉산더 프리드리만에 의해 밝혀졌다. 그는 1922년에 아인슈타인의 방정식이 팽창하는 물질의 균일한 분포를 나타내는 몇 가지 해를 가진다는 사실을 발견했다.

한편 이 시기의 천문학자들은 은하수 밖에 외부 은하가 존재하는가를 두고 논쟁을 벌이고 있었다. 1924년 미국 천문학자 에드윈 허블은 당시 최고의 분해능을 갖는 직경 2.5m짜리 윌슨 산 반사 망원경으로 안드로메다 성운을 관측하여 이 성운이 수많은 별들로 이루어져 있으며, 그 거리가 은하수의 크기보다 더 멀리 있는 은하임을 밝혀 외부 은하 논쟁에 종지부를 찍었다. 허블은 계속해서 우주를 관측하다가 1929년에 수많은 은하들이 서로에 대해서 모든 방향으로 멀어져 가고 있다는 사실을 발견하였다. 우주가 팽창하고 있다는 사실이 발견된 것이다.

이제 우주가 팽창한다는 사실은 분명해졌다. 사실 우주는 정적일 수가 없다. 아인슈타인의 중력 방정식 이전에 뉴턴의 중력 법칙도 이미 그 사실을 예견하고 있었기 때문이다. 우주가 정적이라면 중력 때문에 수축이 일어나게 되어 우주의 유지가 어려워진다. 이 때문에 우주는 수축하지 않는다면 팽창할 수밖에 없는 것이다.