1800-luvun loppuun saakka maailma hahmotettiin kolmiulotteisena tilana, ja aika tästä erillisenä ilmiönä. Valon olemusta tutkittaessa päädyttiin miettimään, miten valoaallot kulkevat avaruudessa. Oletettiin, että avaruuden täyttää eetteri, eli väliaine sähkömagneettiselle säteilylle. Avaruudessa eetteri pysyisi paikallaan ja kaikki nopeudet voitaisiin mitata siihen nähden. Koska maapallo liikkuu eetterissä, pitäisi valon nopeuden vaihdella maapallon liikesuunnan mukaisesti. Valon havaittiin kuitenkin kulkevan aivan yhtä nopeasti suunnasta riippumatta. Eetteriteoria jouduttiin hylkäämään ja samalla luovuttiin absoluuttisesta paikallaan pysyvästä koordinaatistosta.

Albert Einstein otti uudeksi lähtökohdaksi, että valon nopeus tyhjiössä on uusi vertailukohta ja kaikille havaitsijoille sama, riippumatta siitä, miten he liikkuvat. Ajatuksen seuraus on, että ajan täytyy olla suhteellista eri havaitsijoille: jos liikkuva ja paikallaan pysyvä henkilö mittaavat ohi kulkevan valonsäteen nopeuden samaksi suhteessa itseensä, heidän kellonsa tai mittanauhansa eivät voi näyttää samaa lukemaa. Aika ja paikka kytkeytyvät toisiinsa sen sijaan, että ne olisivat erillisiä ilmiöitä. Puhutaan aika-avaruudesta. Erityinen suhteellisuusteoria teki ajasta tilanteesta riippuvan suureen, eli aika on suhteellista. Teorian mukaan nopeasti liikkuvan henkilön kello käy paikallaan olevaa kelloa hitaammin. Tämä ilmiö on sittemmin havaittu kokeellisesti.

Einstein julkaisi erityisen suhteellisuusteoriansa v. 1905. Sen jälkeen hän alkoi miettiä painovoiman aikaansaaman kiihtyvän liikkeen sisällyttämistä teoriaan. Einstein keksi, että painovoima voidaan hahmottaa avaruuden ominaisuutena. Idea syntyi havainnon pohjalta, että pelkästään painovoiman alaisena liikkuva, esim. Maata kohti putoava henkilö ei tunne kiihtyvänsä, eikä pysty havaitsemaan liikettään vertaamatta sitä johonkin muuhun. Einstein esitti, että massat kaareuttavat erityisen suhteellisuusteorian aika-avaruutta. Kappaleet kulkevat siellä suoraan, ja erillistä painovoimaa ei ole.

---

Hiukkasen kulkeminen suoraan kaarevassa avaruudessa näyttää havaitsijan silmin kuin hiukkasen rata kaartuisi. Ilmiö on vastaava lentoreiteillä. Suoraan Suomesta Japaniin kulkevan lentokoneen reitti näyttää tasokartalle piirrettynä kaarevalta. Radan kaartuminen koskee kaikkia hiukkasia, myös massattomia fotoneja. Kulkusuunta muuttuu sitä enemmän, mitä voimakkaammin avaruus on kaareutunut, eli mitä tiheämmän massan läheltä hiukkaset kulkevat. Fotonien radan kaartuminen havaittiin ensimmäisen kerran v. 1922, kun auringonpimennyksen aikaan tarkkailtiin, missä suunnassa aivan Auringon vieressä näkyvät tähdet ovat. Nykyään sama ilmiö havaitaan kuvaamalla kaukaisia galakseja. Niiden takaa tulevan kohteen valo näyttää saapuvan meille eri puolilta galaksia. Oikealla on Hubble-teleskoopin ottama kuva tällaisesta gravitaatiolinssistä.

Yleinen suhteellisuusteoria osoittautui nopeasti erittäin toimivaksi. Teoria selitti Merkuriuksen radan vaihtelut, joihin Newtonin painovoimalaki ei antanut vastausta. Se ennusti myös mustien aukkojen olemassaolon. Suhteellisuusteorian ennustama kellojen hidastuminen lähellä massakeskittymiä on havaittu avaruuslentojen myötä. Yleinen suhteellisuusteoria on vakiinnuttanut paikkansa hyväksyttynä fysiikan peruspilarina.