自文明誕生以來，人類便對宇宙充滿好奇。在誕生科學方法和科學理論之前，各民族的祖先用深邃的哲思和瑰偉的想象力編織出一個個關於宇宙的神話。17世紀的伽利略率先開啟了實證科學的時代，接下來牛頓（Isaac Newton）寫下了運動學三定律和萬有引力定律，使物理學第一個成為有精確定量理論的現代科學。
從此，對於宇宙的探索進入了一個新的時代。
牛頓說：宇宙就像一個永恆不變的精密鐘錶
中世紀歐洲，人們對彗星缺乏科學了解，以為彗星是災難和痛苦的預兆。1682年，一顆彗星掠過英國上空，在全國引起了恐慌。一個叫哈雷的天文學家對這顆彗星十分著迷，他就去拜訪那個時代最大的大牛，正好他也姓牛，牛頓（Isaac Newton ，1643年-1727年）。牛頓告訴他：“這顆彗星沿橢圓軌道運動，控制它的力來自太陽，力的大小和太陽彗星距離的平方成反比。”哈雷非常震驚：“你是怎麼知道的？”牛頓回答：“我計算出來的。”牛頓用自己製作的反射望遠鏡跟蹤這顆彗星，它的軌道完全遵循他在20年前建立的萬有引力定律。哈雷意識到牛頓研究非凡的意義，1687年，在哈雷的資助下，牛頓出版了鉅著《自然哲學的數學原理》[1]。
牛頓在書中給出了牛頓三定律和第一個引力理論——萬有引力定律，描述了任何有品質的粒子間相互吸引的作用，兩個品質m1、m2距離r的粒子受到引力F為：
式中G是萬有引力常數。這個公式今天所有的中學生都耳熟能詳，它囊括了哥白尼、開普勒和伽利略一直試圖解釋的有關太陽系的一切。同時牛頓為了解引力方程，發現17世紀的數學不夠用，於是順便發明了數學的新分支——微積分。牛頓發現蘋果、月亮、行星全都遵循這個引力規律,在他眼中，宇宙就像一個永恆不變的精密鐘錶，當鐘錶師傅給它上好發條以後，它就會自己永遠不停地執行，一切可以通過計算來確定。牛頓推出萬有引力定律以後，科學家們認為引力問題已經得到解決，運用牛頓的公式可以解釋一切，從機械設計到橋樑製造，人們在牛頓開創的道路上開啟工業革命建立現代文明。牛頓引力理論統治了他之後的幾個世紀。
不過，牛頓的宇宙模型很快遭到了質疑。
1692年，一個叫本特利的牧師寫信給牛頓，他說：“因為引力總是吸引，那所有星星將會最終聚集在一起。如果宇宙是有限的，那夜晚的天空不會是永恆和靜態的，星星會彼此相撞匯聚成一個超級星球。如果宇宙無限，那麼作用在物體上的向左和向右的力也是無限的，星星將被撕成碎片。”[1]
牛頓被問住了，才創立的理論你不能熱乎兩天再來提問啊？他仔細思考以後給本特利回信，他認為宇宙是無限而且均勻的，一顆星星被無限的星星拉向左，就會被另一邊無限的星星再拉向右，不同方向的力都是平衡的，從而產生一個靜態宇宙。但是牛頓承認，均勻、無限的宇宙是不穩定的，稍有風吹草動就會坍塌。他說，需要有一個持續不斷的奇蹟來制止星星們在引力作用下聚集在一起。牛頓的鐘表宇宙本來只要擰上發條就可以自己走，不需要師傅的干預，但現在他需要師傅時不時擰一下發條，以防止崩潰。
牛頓的靜態、無限、均勻的宇宙帶來了更深層次的問題，19世紀的奧爾勃斯提出了一個問題：“為什麼夜晚的天空是黑的？”如果宇宙是均勻無限的，那不管往哪看，都會看到無數個星星發出來的光，夜晚的天空應該是一片火海。但事實上夜晚的天空卻是黑的。
起初人們認為光線被塵雲吸收了，但塵雲不能解釋奧爾勃斯佯謬，塵雲經過無限長時間吸收無數星球的光線，最終將會和恆星一樣發光。奧爾勃斯佯謬的真正解答，要在現代宇宙學建立之後。
愛因斯坦說：有了相對論，才有了現代宇宙學
到了19世紀末20世紀初，物理學有兩大支柱，一個是牛頓力學及其萬有引力定律，另一個是麥克斯韋關於電磁波的理論，他證明了光是由彼此不斷改變振動的電場和磁場組成。但愛因斯坦震驚地發現，這兩個理論竟然是互相矛盾的。矛盾的核心在於“伽利略相對性原理”[3-6]。
回憶一下我們小學常常見到的習題：“小張在地面上，小李在一輛火車上，火車相對地面做速度為v的勻速直線運動。小李在火車上扔出一個球，他看到球的速度是u，那麼小張看到球速度是多少？”上過小學的同學馬上就能回答：小張看到小李扔出的球速度為 u+v，是兩個速度的疊加。這種不同慣性系之間的轉換關係，就叫做“伽利略變換”（如圖2上）。牛頓認為，地面上的小張做實驗得到的力學定律，和火車上小李做實驗得到的力學定律沒啥不同，他們倆無法區分自己是在地面還是火車上，這就叫“伽利略相對性原理”[3-6]。
但是麥克斯韋鼓搗出麥氏方程組以後，大家都愣住了——通過伽利略變換，小張和小李得到的電磁定律竟然不一樣。老司機小李開著車從小張面前經過，車上載著電子。地面上的小張看到，根據庫侖定律，電子會產生電場。隨著車開過，電場還在不斷變化，根據麥克斯韋方程，電流加上變化電場會產生磁場。所以小張既感受到電場又感受到磁場。而車裡的小李卻說：“沒有啊，根據庫侖定律，我只看到電場。”這下全亂套了，同一個物理現象，在不同的慣性參考系中，變成了不同的物理定律。不遵守相對性原理的結果就是小張在地面上用一套公式，小李在火車上得用另外一套，“定理”就不再是定理了。然後大家下車後一對，結果的解釋還不一樣。小李鬱悶了，不是吧我只是坐了個火車而已。
這時大家不得不面臨兩個選擇：
（1）麥氏方程組錯了；
（2）相對性原理只適用於力學，不適用於電磁學，可能有個絕對參考系以太，麥氏方程對這個參考系適用。因為麥氏方程當時非常成功，於是大家一窩蜂地開始尋找以太參考系。在所有尋找以太的努力都失敗以後，愛因斯坦出場了。
愛因斯坦拍著胸脯說，伽利略不敢保證我來做保證，無論力學還是電磁學，所有的物理定律在慣性系都一樣，無法區分，而真空光速在所有慣性參考系都是c。小張小李，你們不準再用伽利略變化，要用洛倫茲變換。這就是1905年狹義相對論的兩個假設——狹義相對性原理和光速不變原理。也就是說，小李在勻速直線運動的火車上用手電筒射出一束光，他看到光速為c。而地面上的小張看到這束光的速度也是c，而不是c+v。要滿足上面兩個假設，不同慣性系之間的變換關係應該是洛倫茲變換，而非伽利略變換。在洛倫茲變換中，時間和空間統一了起來，用一個四維向量（t,x,y,z）來描述。空間變了時間也跟著變，小張在地上看到小李電筒光速也是c，是因為他看到小李的火車沿著運動方向縮短了。而圖2右邊的圖中，小張和小李看到的是同一個物理量——電磁張量，電場和磁場其實是這個統一的物理量在不同慣性系中的不同表現形式。
愛因斯坦指出我們熟悉的時間觀念是錯誤的，在牛頓的鐘表宇宙中，每個人的時間都是一樣的，無論是在北京還是紐約，地球還是太陽上，所有人都按照同一個宇宙時鐘生活。愛因斯坦說：“不，時間是變化的、因人而異的。”愛因斯坦時空中每個人都佩戴自己的手錶，顯示的時間不盡相同。當你坐在高鐵上從我身邊飛馳而過時，會看到我的手錶走得比你的手錶快。當一對雙胞胎兄弟中的哥哥坐著宇宙飛船遨遊太空歸來，會發現弟弟已經衰老不堪。
雙生子佯謬
和牛頓一樣，愛因斯坦的相對論又一次讓人們對世界的看法產生了深刻的變革。相對論統一了時間和空間，並發現為了滿足時空的統一，電場和磁場、物質和能量也是統一的，且可以相互轉換，轉換關係遵循 E=mc2。因為要乘以光速的平方，一丁點的品質可以爆發出巨大的能量，這揭示了恆星的能量來源。
恆星內部的核聚變反應，遵循相對論的質能方程
愛因斯坦在徹底顛覆人們的時空觀念後，並不滿足，因為他的狹義相對論中還有慣性系，而這個世界上根本找不到真正的慣性系。地球自轉有加速度，地球圍繞太陽轉、太陽圍繞銀河，銀河圍繞更大的系統轉，只要有引力，世界上就沒有真正的慣性系，所以狹義相對論還不能用來描繪有引力的宇宙。另外，根據牛頓引力理論，所有在引力場的物體都受到引力，引力大小為mGg，g是引力加速度，mG是“引力品質”，質點在引力場中的加速度為 a=(mG/mI)g，其中mI是慣性品質。我們知道慣性品質衡量一個物體的運動狀態有多難改變，而引力品質是引力的“荷”，決定物體在引力場中怎樣受力。無數的、一個又一個的精確實驗表明，mG=mI，這兩個風馬牛不相及的量為何嚴格相等？正是為了解決這些問題，愛因斯坦進一步在1915年推出了廣義相對論。
愛因斯坦指出三維空間的引力，實質是四維時空的彎曲，時空彎曲情況，由物質分佈決定[3,4]。愛因斯坦再一次拍著胸脯保證：這回就算有引力場也不怕啦，我保證你們的物理定律在任何參考系都一樣都一樣（愛因斯坦等效原理），但是你們得用我的數學描述，這樣在座標變換時才能保證數學形式不變（廣義協變性原理）[3,4]。小張在“均勻引力場”中（不均勻引力場會有潮汐力，這點和加速度情況不同），小李在無引力場的加速為a的飛船中，他們做任何物理實驗結果是一樣的，只要不開窗，他們無法分辨自己是在地球上還是在飛船中。這就是“愛因斯坦等效原理”（Einstein Equivalence Principle，EEP）。原來的描述“引力品質=慣性品質，任何力學試驗無法區分引力和加速產生的慣性力”，被稱為“弱等效原理（Weak Equivalence Principle，WEP）”。另外還有一個“強等效原理（Strong Equivalence Principle，SEP）”，WEP和EEP不考慮系統中物體所激發的自引力場，而SEP對主動、被動引力都考慮。
愛因斯坦等效原理，任何物理實驗無法區分均勻引力場的效果和加速度產生的慣性力效果
愛因斯坦用他的場方程來描述物質和時空幾何的關係：
愛因斯坦場方程左邊表示時空幾何性質，合在一起稱為愛因斯坦張量，用度規張量和曲率張量來描述。曲率張量描述時空曲率，度規張量類似於度量時間的鐘和空間的尺子。方程右邊部分表示物質分佈情況。用著名物理學家惠勒的話來概括廣義相對論就是：“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動”。
廣義相對論本質上是一個新的引力理論，牛頓引力理論描述靜止源的引力場，而廣義相對論描繪一般的、作任何運動的引力源產生的變化的引力場。它是有引力情況下對狹義相對論的推廣，狹義相對論是無引力時廣義相對論的特殊情況[6]。廣義相對論中，我們看到地球繞太陽運動不是因為引力的的拉力，而是因為太陽使地球周圍的空間彎曲，產生推力迫使地球運動。在牛頓的宇宙中，引力的傳播是超距離的、瞬時的。如果太陽突然消失了，宇宙中每個星球上會一瞬間看到太陽消失，它的引力作用也一瞬間消失。但愛因斯坦認為引力就像一塊布，如果有人在布上蹦來蹦去，布的抖動就會在表面形成有限速度傳播的波。因為光速是宇宙之間資訊傳遞的極限，太陽消失會產生球狀引力波，以光速向外傳播，而在引力波到達之前我們看到太陽還在發光。
引入宇宙常數，宇宙還是靜止不變的
最初場方程沒有宇宙常數項。愛因斯坦鼓搗出他的場方程後終於滿意了，於是開始坐下來喝喝茶解解場方程建立宇宙模型玩玩。結果一解立即發現非常糟心，他面臨了幾個世紀前牛頓和本利特遇到的同樣的問題，宇宙變成動態的。因為廣義相對論中時間和空間是緊密聯絡的四維時空，由它描述的宇宙大小不是恆定的，而是隨著時間演變，要麼越來越小（坍縮），要麼越來越大（膨脹）。這個問題困擾了他將近一年的時間，愛因斯坦相信宇宙是靜態的，1917年，他強行給場方程加上了一個“宇宙常數項”，這一項的效應產生負壓強，也就是斥力，從而抵抗住引力而得到一個靜態宇宙解。然後他向大家宣佈了這個帶宇宙常數的宇宙模型。
愛因斯坦的宇宙像一個有一定大小卻沒有邊界的圓球，其半徑由宇宙品質密度決定，是一個四維空間中的形狀在人類所熟悉的三維空間的投射。如果往天空發射一道光，這束光在一萬年後會從相反方向回到地球，就好像地球表面的人繞地球一圈以後回到原處一樣。他把模型秀出來以後全地球都蒙圈了，沒幾個人明白，大家把這個宇宙模型稱為“愛因斯坦模型”。下面我們會看到，實際上愛因斯坦宇宙只是弗裡德曼解中k=1的一個特解，而且這個宇宙很不穩定，只要稍有擾動就會收縮崩塌或者無限膨脹。
後來到1929年，哈勃發現哈勃定律，證明宇宙在膨脹，“我們不需要用宇宙常數項來抵消引力”，愛因斯坦非常懊悔，認為自己錯過了理論上發現宇宙膨脹的機會，引出宇宙常數項是“一生犯的最大錯誤”，並去掉了這個常數項。但是生活永遠充滿了戲劇，就好像電影中的情節一樣，在20世紀末，人們通過對Ia型超新星的觀測，發現宇宙在加速膨脹，宇宙常數項並不等於零，它和“暗能量”聯絡起來，宇宙間必然有一種“暗能量”存在。宇宙學常數存在感瞬間爆棚，又重新引起了無數人的關注。溫伯格在他的《宇宙學》中說：“愛因斯坦的失誤並不在於他引入了宇宙學常數，而在於他認為這是個失誤。”[8]
從牛頓到愛因斯坦，人們對時空的理解發生了天翻地覆的變化，但是靜態宇宙的觀念實在是太深入人心，即便天才如愛因斯坦，雖然已經站在了動態宇宙發現的邊緣，但也因囿於舊有思想，而與新發現失之交臂，最終也沒能真正解答本特利的質疑和奧爾勃斯佯謬。宇宙膨脹的發現，將由那些勇於挑戰權威的科學家們來完成。