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，阿尔贝特·爱因斯坦(1879～1955)无疑是20世纪最具代表性的物理学大师。
自1805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。可是在别人看来，同样的钟却在滴答滴答走，这是不是矛盾呢？”他的这个“臆想实验”，已经埋下了发明狭义相对论的种子。
当时古典物理学已是山雨欲来风满楼。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衷理论，缺乏逻辑的完备性与体系的严密性。
到1905年，爱因斯坦对这类问题已经苦思了十载，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”并不存在，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》。他用两个公设作为出发点：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。二、相对性原理：物理定律在任何惯性坐标系中都具有相同的形式。
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。
惯性坐标系只是个理想状况，在真实物理世界里，重力场无所不在，而物体受重力作用就会做加速度运动。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。然而不久他就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力理论。
爱因斯坦只好另辟蹊径。1907年某天，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：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。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。