Модель Вселенной, созданная Альбертом Эйнштейном, явилась первой космологической моделью, которая была разработана на основе теории относительности. А. Эйнштейн полагал, что именно тяготение является решающим фактором взаимодействия объектов, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Теория тяготения (общая теория относительности) составляет основу современной космологии. Однако в рамках данной теории Эйнштейн допускал, что существует некая сила отталкивания. Эта сила обеспечивает неизменность Вселенной с течением времени. Дальнейшее развитие естественных наук значительно скорректировало данное утверждение.
В 1922 году советский учёный А. Фридман, проведя ряд сложных расчётов, смог доказать, что Вселенная, о которой говорил Эйнштейн, не может являться неизменной. При этом Фридман принимал за основу космологический принцип, который был разработан им Эйнштейном. Данный принцип строился на двух положениях:
Изотропностью является отсутствие выделенных направлений, равномерное распределение Вселенной по всем направлениям. Однородность понимается как одинаковость всех точек во Вселенной: можно проводить наблюдения в любой из точек, и в любом случае Вселенная проявит изотропность.
Применяя космологический принцип, Фридман показал, что уравнение Эйнштейна имеют иные решения, доказывающие, что Вселенная сжимается и расширяется. При этом Фридман допускал расширение всего пространства, то есть всей совокупности расстояний во Вселенной. Данная модель Вселенной имеет аналогии с мыльным пузырём, при раздувании которого увеличивается площадь поверхности и радиус.
Изначально модель расширяющейся Вселенной носила характер гипотезы и не была подтверждена эмпирически. Однако ситуация изменилась в 1929 году, когда американский исследователь Э. Хаббл, проводя эксперименты по астрономии, открыл эффект «красного смещения» линий спектра (линии были смещены к красному концу спектра). Данное явление объяснялось как следствие эффекта Доплера – изменения длины волн или частот колебаний вследствие перемещения источника волн и движения наблюдателя относительно друг друга. Эффект красного смещения связывался с удалением дуг от друга галактик, при котором скорость их движения с расстоянием увеличивалась. По результатам исследований последних лет, повышение скорости расширения составляет около 55 км/с на миллион парсек.
В результате проведённых экспериментов Хаббл высказал предположение, что Вселенная представляет собой совокупность галактик, между которыми имеются громадные расстояния. При этом Хаббл утверждал, что расстояния между галактиками не являются неизменными, а увеличиваются со временем. Таким образом, была разработана модель расширяющейся Вселенной.
В соответствии с теорией расширяющейся Вселенной, материя изменяется с течением времени. Фридман, поставив перед собой вопрос о будущем Вселенной, построил три перспективные модели.
Согласно первой модели, расширение Вселенной происходит медленно, чтобы в конечном счёте оно прекращалось вследствие воздействия гравитационных притяжений между галактиками, после чего происходило бы её сжатие. Данная модель предполагает искривление пространства, которое образует сферу, замыкаясь.
С позиции второй модели расширение Вселенной происходит бесконечно. Искривление пространства при этом напоминает поверхность седла. Пространство также не имеет пределов.
Третья модель Фридмана показывает пространство бесконечным и при это плоским.
Путь, по которому пойдёт развитие Вселенной, находится в зависимости от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. При преобладании кинетической энергии разлёта вещества над энергией гравитации, которая препятствует этому разлёту, силы тяготения не смогут препятствовать увеличению расстояний между галактиками. Таким образом, расширение Вселенной станет неизбежным и необратимым. Этот вариант модели развития Вселенной получил название Открытой Вселенной.
При преобладании гравитационного взаимодействия темпы расширения со временем снизятся по полной остановки данного процесса, после чего произойдёт постепенное сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объём с бесконечно большой плотностью). Эта модель развития вселенной получила название осциллирующей, или закрытой Вселенной.
В промежуточном случае, когда энергия разлёта вещества идентична силам гравитации, не произойдёт прекращения расширения, однако его скорость будет стремиться к нулю. При этом наступит состояние, называемое квазистационарным. Пульсация Вселенной теоретически возможна.
Наблюдаемое в настоящее время удаление галактик друг от друга является следствием расширения пространства замкнутой Вселенной, которая не является бесконечной. Постоянная Хаббла даёт возможность вычислить время, за которое происходит расширение Вселенной. Это время составляет от 10 до 19 млрд. лет. Наиболее вероятным возрастом существования Вселенной считают 15 млрд. лет.