量子物理与相对论是近代物理学的两大支柱，前者为集体智慧的结晶，后者却几乎是爱因斯坦一人的心血。单凭这一点，爱因斯坦（1879～1955年）无疑是20世纪最具代表性的物理学大师。从1895年起，16岁的爱因斯坦便开始认真思考一个问题“假如我以光速跟随一束光飞行，我会看到哪些奇异景象？比方说，这束光若是由一座时钟反射出来，我应该看到一座静止的时钟，也就是说在我眼中，时间是静止的；可是在别人的看来，同样的钟却在滴答滴答走，这是不是矛盾呢？”爱因斯坦的这个“臆想实验”，已经埋下了发明狭义相对论的种子。
当时古典物理学已有很大的权威。有三个看似矛盾的现象孕育着革命的火种：一是实验证明太阳与地球竟然没有相对运动；二是马克士威方程组在伽利略的变换下竟然会变形；三是马克士威方程组无法解释电磁感应的“对称性”。
对此，人们提出的解决方案，都是在古典物理学架构下的折中理论，缺乏逻辑的完备性与体系的严密性。
1905年，爱因斯坦对这类问题已经苦思十年之久，他需要的只是临门一脚。在与好友贝索偶然的一场讨论后，灵感终于浮现。爱因斯坦突然意识到，解决问题的关键在于必须挑战传统的“绝对时间”与“同时性”这类概念。其实“绝对时间不存在，而时间与光速之间有密不可分的关系。”
爱因斯坦很快就写好了狭义相对论的历史性论文《论运动物体的电动力学》。他用两个公设为出发点：第一，光速恒定：在任何惯性坐标系中，不论光源是静止还是运动的，光速一律是常数。第二，相对性原理：物理定律在任何惯性坐标系中都具有相同形式。
根据上述两项公设，爱因斯坦导出了精确的“洛伦兹变换”，再利用这个变换导出长度收缩、时间膨胀、同时性的相对性，以及质量随速度增加的公式和新的速度合成法则，由此形成一套崭新的时空观。这个理论后来被称为狭义相对论。
惯性坐标只是个理想状况，在真实物理世界里，磁力场无所不在，而物体按磁力作用就会做加速运动。爱因斯坦原先的构想，是直接推广狭义相对论来涵盖各种非惯性坐标系。然而不久他得到一个令人沮丧的结论：在狭义相对论的架构下，绝对不可能有完善的重合理论。
爱因斯坦只好另辟蹊径。1907年的一天，他坐在瑞士专利局的办公室里，脑中突然闪出一个灵感：“一个在半空中坠落的人，完全感觉不到自己的重量，应该觉得自己好像置身于惯性坐标系！”
爱因斯坦后来说这是他一生中最重要的一个念头。耐人寻味的是，它和那个以光速飞行的臆想实验有异曲同工之妙：一个是以光速飞行，抵消了光速，因而看到一座静止的时钟；一个是在重力场中坠落，抵消了重力加速度，因而感觉不到任何重力。根据这个想法，爱因斯坦写出第一篇有关广义相对论的论文，提出广义相对论的两个公设：第一，等效原理加速度造成的“重量感”与真正的重力效应一模一样。第二，广义相对性原理：物理定律在任何坐标系中都具有相同形式。
爱因斯坦钻研广义相对论经历了一段曲折的历程。最主要的困难，在于当时物理学界所熟知的数学工具似乎都挠不到痒处。1912年，爱因斯坦终于意识到传统的几何学不适用于重力场，于是开始学习“黎曼几何”与“张量分析”。掌握这些理论之后，研究总算拨云见日了，他终于逐步建立起广义相对论的完备体系：以四维时空的弯曲几何结构表现重力场。牛顿的重力理论自此功成身退。
