Nu există o „teorie a relativității” – doar două teorii care ambele se încadrează ocazional sub același desemnator – teoria relativității speciale și teoria relativității generale. Ambele au fost concepute de celebrul fizician Albert Einstein între 1905 și 1915. Ambele teorii au schimbat mecanica clasică a lui Newton, care se menținea cu secole înainte.
Teoria specială a relativității este o teorie a structurii spațiu-timpului, care afirmă că 1) legile fizicii sunt aceleași pentru toți observatorii în mișcare uniformă unul față de celălalt și 2) viteza luminii în vid este aceeași pentru toți observatorii, indiferent de mișcarea lor de mișcarea sursei de lumină. Acest lucru duce la consecințe bizare. De exemplu, imaginați-vă că vă deplasați într-un tren care merge cu 100 mph lângă un alt tren care se mișcă în aceeași direcție cu 100 mph. Din perspectiva ta, trenul de lângă tine pare aproape nemișcat. Dar imaginați-vă că vă aflați într-un tren care se mișcă cu viteza luminii, în timp ce este lângă un fascicul de lumină. În loc ca fasciculul de lumină să pară nemișcat, se mișcă înaintea ta cu viteza luminii. Lumina este ciudată așa.
Câteva dintre consecințele care decurg din teoria relativității speciale sunt 1) dilatarea timpului (ceasurile care se mișcă în apropierea vitezei luminii funcționează mai lent decât ceasurile staționare), 2) contracția lungimii (obiectele care se mișcă în apropierea vitezei luminii par a fi contractate în direcția mișcării), 3) relativitatea simultaneității (lucrurile care par să se întâmple în același timp cu observatorul staționar A pot părea să se întâmple în momente diferite cu observatorul în mișcare B), 4) echivalența masă-energie (masa și energia sunt în esență același lucru și transmutabile unul în celălalt).
Teoria generală a relativității, care a fost concepută la câțiva ani după teoria relativității speciale, este o teorie a modului în care funcționează gravitația. Inițial, sa bazat pe principiul echivalenței, ideea că accelerația și starea nemișcată într-un câmp gravitațional de o anumită putere sunt fizic identice. Deoarece nu este necesară o forță specială pentru a crea efecte inerțiale într-un obiect care se accelerează, Einstein a propus să gândim la fel despre gravitație, renunțând la noțiunea clasică de forță gravitațională și concepând în schimb gravitația ca curbe în spațiu-timp. Aceasta explică fenomene precum de ce lumina se îndoaie în prezența unui câmp gravitațional, chiar dacă îi lipsește masă.
Teoria generală a relativității oferă explicații și face predicții care ar fi părut ridicole în viziunea asupra lumii a mecanicii clasice. În afară de îndoirea luminii în prezența unui câmp gravitațional, prezice că timpul trece mai lent în prezența unui câmp gravitațional, orbitele planetare se precesează (schimba) din cauza cuplului exercitat de câmpul gravitațional al Soarelui, are loc tragării cadrului, prin care apare corpurile rotative „trag” cadrul inerțial al spațiu-timpului înconjurător cu el și că universul se extinde, în unele cazuri mai rapid decât viteza luminii, pentru că spațiul însuși se extinde, nu obiectele din el.
Dezvăluirea implicațiilor acestor teorii a durat decenii și este încă în desfășurare astăzi. Teoriile lui Einstein erau atât de avansate încât a fost nevoie de zeci de ani pentru a le testa și confirma cu mare precizie. În retrospectivă, ideile lui Einstein au fost aproape complet validate.