銀河系是一個龐大的恆星系統，而我們的太陽以及鄰近的恆星全都是銀河系的組成部分。長期以來，人們一直以為銀河系就是整個宇宙。只是到了1924年，美國天文學家埃德溫·哈勃才證實我們的星系並不是獨一無二的。事實上，還存在著許許多多其他的星系，而在星系之間則是廣袤的虛無空間。為了證明這一點，哈勃必須確定這些河外星系的距離。我們可以確定鄰近恆星的距離，辦法是觀測它們因地球繞太陽運動而引起的位置變化。但是，河外星系實在是太過遙遠了，這與近距離恆星的情況不同，它們看上去完全固定不動。因此，哈勃只能通過間接的方法來測量它們的距離。
須知，恆星的視亮度取決於兩個因素：光度，以及它離我們有多遠。對於近距離恆星來說，我們可以測得它們的視亮度和距離，於是便能確定它們的光度。相反，要是我們知道了其他星系中一些恆星的光度，就可以通過測定它們的視亮度來推算出它們的距離。哈勃論證了存在某些型別的恆星，當它們距離我們近得足以被我們測量時，它們有相同的光度。於是，如在另一個星系中發現了同類恆星，我們就可以設想它們有著同樣的光度。這樣一來，便可以計算出那個星系的距離。如果可以對同一個星系中的若干顆恆星實施此類計算，並總是得出相同的距離，那麼對星系距離的估計就相當可信了。通過這條途徑，哈勃得到了九個不同星系的距離。
現在我們知道，利用現代望遠鏡可以觀測到數千億個星系，銀河系只是其中之一，而每個星系又含有數千億顆恆星。我們生活在一個緩慢自轉中的星系之內，尺度約為10萬光年；它有若干條旋臂11，旋臂中的恆星繞著星系中心作軌道運動，大約每一億年轉過一週12。我們的太陽只不過是一顆中等大小的普通黃色恆星，它位於其中一條旋臂的外邊緣。毫無疑問，自亞里士多德和托勒密以來我們經歷了漫長的認識之路，而在他們那個年代地球被認為位於宇宙的中心。
恆星的距離實在是太遠了，以至於看上去它們只是一些非常小的光點。我們不可能確定恆星的大小和形狀。那麼，怎樣才能把不同型別的恆星區分開來呢？對於絕大多數恆星來說，唯一可以觀測到，且不致發生誤判的特徵是它們的光的顏色。牛頓發現，如果使太陽光穿過一塊稜鏡，光線便會分解成構成陽光組成成分的各種顏色——太陽光譜，它看上去就像彩虹一樣。類似地，把望遠鏡瞄準個別恆星或者星系並準確聚焦，就可以觀測到恆星或星系的光譜。不同的恆星有不同的光譜，但不同顏色的相對亮度，總是會與某個灼熱燃燒物體發出的光線所呈現的情況完全一樣。這意味著可以由恆星的光譜來確定恆星的溫度。還有，我們發現有一些特定的顏色在恆星光譜中是缺失的，而且這類缺失的顏色可以因恆星的不同而不同。我們知道，每一種化學元素都會吸收掉一組能表徵有相應元素存在的特定的顏色。因此，只要把每一組這樣的顏色與恆星光譜中缺失了的那些顏色相比對，就可以嚴格確認在恆星大氣中存在有哪些元素。
20世紀20年代，當天文學家開始觀察河外星系中恆星的光譜時，異常情況發生了：它們所缺失的特徵顏色組與我們的銀河系中恆星的情況相同，但它們全都朝著光譜的紅端移動，且相對位移量都一樣。對此，唯一合理的解釋是星系都在遠離我們運動，因而星系光波的頻率減小了，或者說發生了紅移，其原因在於多普勒效應。請傾聽一輛汽車在路上急駛而過的聲音。當汽車由遠方駛近時，汽車引擎聲聽起來音調比較高，相當於聲波的頻率比較高；當汽車由近處向遠方駛離時，引擎聲的音調聽起來比較低。光波或輻射波具有類似的變化特性。實際上，警察正是利用多普勒效應，通過測定由汽車反射回來的無線電波脈衝的頻率，來測出汽車的速度。
在證實了河外星系的存在之後，哈勃花了好多年時間來逐一記錄星系的距離，同時還觀測它們的光譜。在那個時候，大多數人都以為星系的運動是完全隨機的，所以光譜呈現藍移的星系應該與呈現紅移的星系一樣多。因此，當哈勃發現所有的星系都表現為有紅移時，人們頗感意外，這說明每一個星系都在遠離我們而去。更令人吃驚的是，哈勃在1929年發表的結果表明，甚至星系紅移的大小也不是隨機的，紅移量居然與星系的距離成正比。換言之，星系越遠，遠離我們的速度就越快。因而，這意味著宇宙不可能如之前眾人都猜想的那樣是靜態的，而是宇宙事實上正處於膨脹之中。在任何時刻，不同星系間的距離一直在不斷地增大。
發現宇宙正在膨脹，乃是20世紀一項偉大的理性革命。事後來看，不禁讓人驚訝為什麼之前沒有一個人想到這一點。牛頓等人應該會意識到，在引力的作用下一個靜態宇宙很快會開始收縮。但是，請設想一下宇宙並不處於靜止狀態，而是正在膨脹。如果宇宙膨脹得不太快，那麼引力的作用最終會使膨脹停止，並隨之開始收縮。然而，要是膨脹速度超過某個確定的臨界值，而引力作用不足以使膨脹停止，則宇宙便會一直不斷地永遠膨脹下去。這有點像我們在地球表面給火箭點火，使其上升時所發生的情況。如果火箭的速度比較慢，那麼引力最終會使火箭停止運動，並隨之開始向地面回落。要是火箭的速度大於某個臨界值（約為每秒7英里13），引力便不足以把它拉回地面，於是火箭便會越飛越遠，永遠脫離地球。
在19世紀、18世紀，甚至17世紀晚期這段時間內的任何時候，都已經可以做到根據牛頓的引力理論來預言宇宙的上述變化特性。但是，人們關於靜態宇宙的信念實在是太強了，這種信念一直延續到20世紀初。即使愛因斯坦在1915年系統地闡明瞭廣義相對論之時，他還是深信宇宙只能處於靜止狀態。因此，為了使靜態宇宙成為可能，愛因斯坦對自己的理論做了修正，具體做法是在他的一些方程中引入了一個所謂的宇宙學常數14。這是一類新的「反引力」之力，與其他作用力的不同之處在於，這種力並非來自任何具體的力源，而是時空結構自身的組成部分。愛因斯坦的宇宙學常數給時空以某種固有的膨脹趨勢，而且恰好可以與宇宙中全部物質的吸引力相平衡，這樣一來自然會得出靜態宇宙的結論。
看來，只有一個人願意還廣義相對論以其本來面目。儘管愛因斯坦和其他一些物理學家在不斷探究各種途徑，以能迴避廣義相對論所預言的非靜態宇宙，俄國物理學家亞歷山大·弗裡德曼卻與眾不同地著手解釋非靜態宇宙。
弗裡德曼模型15
廣義相對論方程確定了宇宙如何隨時間演化，然而這些方程的詳細解算卻極為複雜。因此，弗裡德曼另闢蹊徑，他就宇宙作了兩個非常簡單的假設：無論從哪一個方向去觀察，宇宙看上去都是一樣的；還有，要是我們能從任何別的地方觀察宇宙，上述結論仍然成立。根據廣義相對論和這兩個假設，弗裡德曼證明了我們不應該期望宇宙是靜態的。實際上，在哈勃做出他的發現之前的若干年，弗裡德曼於1922年就已精確預言了哈勃所發現的結果。
事實上，關於宇宙從任何方向看來都是相同的假設顯然是不成立的。例如，我們銀河系中的其他恆星在夜空中構成了一條明顯的光帶，這就是銀河。但是，如果我們的觀察物件是遙遠的星系，那麼從不同方向上看起來星系的數目大體上是相同的。所以，從不同方向去觀察，宇宙看上去確實大體上是一樣的，但這裡有一個前提，即觀測視野的範圍應遠遠大於星系間的距離。
在很長的一段時間內，這為弗裡德曼的假設——作為真實宇宙的某種粗略近似——提供了充足的理由。然而，後來一次很幸運的偶然事件揭示了真相：實際上弗裡德曼的假設是對我們的宇宙的極為精確的描述。1965年，在新澤西州貝爾實驗室工作的兩位美國物理學家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜，設計了一臺甚高靈敏度的微波探測器，目的是用於與軌道上的衛星進行通訊聯絡。使兩人深感迷惑不解的是，他們發現這臺探測器所接收到的噪聲比預期來得多，而且多餘的噪聲似乎並非來自任何特定的方向。開始時，他們尋找探測器上飛鳥的糞便，還檢查了其他可能的儀器故障，但這些情況很快被一一排除。他們明白，對任何來自大氣層內部的噪聲來說，探測器傾斜安置時的噪聲要比指向天頂時來得大，因為當探測器的指向與垂直方向成某個交角時，大氣層會顯得比較厚16。
無論探測器指向哪一方向，多餘的噪聲始終保持不變，所以它必然來自大氣層之外。還有，儘管地球在不斷地繞軸自轉，同時又繞著太陽運動，但在整個一年中，無論白天還是黑夜，這種噪聲始終保持不變。這說明輻射一定來自太陽系之外，甚至來自銀河系之外，否則因探測器隨地球運動而指向不同的方向，輻射也應當隨之發生變化。
事實上，我們知道這類輻射在到達地球之前，必然穿越了可觀測宇宙的大部分空間。因為輻射表現為各向同性，那麼宇宙一定也是各向同性的，至少在大尺度上應該如此。現在我們知道，無論從哪個方向去看，這類噪聲的相對變化絕不會超過萬分之一。因此，彭齊亞斯和威爾遜在無意之中，以很高的精確度偶爾證實了弗裡德曼的第一個假設。
差不多在同一時間，不遠處普林斯頓大學的兩位物理學家鮑勃·迪克和吉姆·皮伯爾斯也對微波饒有興趣。當時他們正在深入研究喬治·伽莫夫的一種設想：早期宇宙應該是非常熾熱的，且密度很高，會發出白熱的光芒；須知伽莫夫曾經是弗裡德曼的學生。迪克和皮伯爾斯認為，這種光芒現在仍然能看到，原因在於從早期宇宙非常遙遠部分所發出的光線現在應當剛好到達地球。不過，由於宇宙膨脹，這種光線應該有非常大的紅移，因而現在就我們來看便表現為微波輻射。迪克和皮伯爾斯此時正在尋找這類輻射，當彭齊亞斯和威爾遜得知他們的工作時，便意識到自己已經找到了這種輻射。彭齊亞斯和威爾遜因這項工作於1978年獲諾貝爾獎，而這對迪克和皮伯爾斯來說似乎有點殘酷。
上述觀測證據充分說明，無論在哪個方向上，宇宙看起來都是一樣的，表面上看這好像暗示了我們在宇宙中所處的位置應該與眾不同。說得具體一點，這似乎意味著如果我們觀測到的所有河外星系都在遠離我們而去，那麼我們必然位於宇宙的中心。不過，對此也可以有另一種不同的解釋：從任何其他的星系來看，在不同方向上所觀測到的宇宙也許還是一樣的。我們已經知道，這正是弗裡德曼的第二個假設。
目前還沒有任何科學證據來支援或者反對這個假設，我們只是謹慎地相信這一點。要是宇宙從我們周圍的各個方向去看是各向同性的，而從宇宙中別的位置上去觀察卻並非如此，那就太不可思議了。在弗裡德曼模型中，所有的星系都在彼此遠離。這種情況有點像持續不斷地吹一個表面上繪有若干斑點的氣球。隨著氣球的膨脹，任何兩個斑點之間的距離不斷增大，但是任何一個斑點都不能被稱為膨脹的中心。不僅如此，斑點間的距離越遠，斑點之間互相遠離的速度就越快。類似地，在弗裡德曼模型中，任何兩個星系之間互相遠離的速度與星系間的距離成正比。所以，這個模型預言了星系的紅移應該與星系的距離成正比，而哈勃所發現的恰恰就是這種情況。
儘管模型取得了成功，且預言了哈勃的觀測結果，但弗裡德曼的工作在西方一直鮮為人知。1935年，美國物理學家霍華德·羅伯遜和英國數學家亞瑟·沃克為說明哈勃發現宇宙均勻膨脹而提出了類似的模型，只是在這之後，弗裡德曼的成就才為人們所知曉。
儘管弗裡德曼只是發現了一個模型，事實上滿足他的兩個基本假設的卻有三類不同的模型。在第一類模型，也就是弗裡德曼所發現的模型中，宇宙膨脹得極為緩慢，以至於不同星系相互間的吸引力使得這種膨脹漸而減慢，並最終停止。之後，星系開始互相趨近，於是宇宙表現為收縮。相鄰星系間的距離從零開始，不斷增大到某個極大值，之後便逐漸互相接近，直到再次歸復為零。