相対性理論

独・アルベルト・アインシュタイン（Albert Einstein）が提唱した。1905年に発表された特殊相対性理論（加速度を考慮しない）と1916年に発表された一般相対性理論（加速度を考慮する）がある。

四次元時空間

従来のニュートン力学が、三次元空間と時間を別々の空間として定義していたのに対し、特殊相対性理論では、空間＋時間の四次元を同一の時空間として定義した。

光速不変、それ以外は相対的

また、光速を誰から見ても不変であるとし、光以外の全ての物体の速度は、相対的であるとした。このことから「相対性理論」と命名される。光速が不変であることは、地球の自転・公転を考慮した実験によって、どこから光速を測定しても一定であることが実証された。光速は直接観測することはできないが、干渉縞によって確認することができる。秋であろうが春であろうが、昼であろうが夜であろうが、地球の進行方向・速度に関係なく光速が一定である（干渉縞が同一である）ことが実証された。

光は粒子か波動か？

光は粒子（光子）であるという側面と、波動であるという側面が二つあるとした（これは1905年、「光電効果」として発表された）。光が波動である事実は、干渉・屈折・回折現象によって、19世紀初頭には確立していた。波動には媒体が必要だが、光は媒体を必要としない。一方、光が粒子ではないかという仮説は、1900年にプランクによってなされた（いわゆるプランク定数の発見）。

波動の特性を持ちつつ媒体が存在しないことの意義

19世紀末から20世紀初頭にかけて、その未知の媒体、エーテルが探し求められたが、結局、そのようなものは、見つからなかった。媒体があれば、媒体こそが絶対的・不変的に固定されており、光速は見るものの立場によって異なるはずである。ところが、その媒体が見つからない。そのことから、不変なるものは、光ではないかという仮説に至り、相対性理論が構築されることになった。

物体とエネルギーの交換

特殊相対性理論では、物体とエネルギーが交換可能であるとした。
E-MC^2
これこそが核反応（核分裂・核融合）の理論である。ウラン235原子が分裂すると、分裂した総質量は、元のウラン原子より減少している。その質量の減少量がエネルギーに転換され、膨大なエネルギーを放出する。1945年8月、広島、および長崎において、人類の手によって核反応が実証された。

一般相対性理論は重力理論

以上、ここまでは特殊相対性理論の世界である。一般相対性理論では、加速度、つまり重力を扱う。光は重力によって曲げられる。このことは実験によって確かめられている。遠方の銀河が重力の大きい恒星によって、曲げられていることが観測されている。このことは質量密度の高い星が存在すれば、光を完全に封じ込めることができることを予言している（ブラックホール）。
一般相対性理論の方程式は難解で、解けた者は世界に数名しかいない。そのうちの一人が日本人の冨松彰と佐藤文隆である（1972年トミマツーサトウ解発表）。