相对论是主要由阿尔伯特·爱因斯坦建立的物理学理论框架，包括1905年发表的狭义相对论，以及完整场方程于1915年11月提出的广义相对论。狭义相对论描述引力效应可以忽略时的空间、时间和运动。广义相对论则通过时空的几何结构描述引力。二者共同取代了牛顿力学中普适的空间与时间观，建立起一种新的框架：测量结果取决于观测者的运动状态及其所处的引力环境，而物理定律的形式则不依赖于观测者。(einstein.caltech.edu)
历史基础
在经典力学中，时间被视为普适的，速度则按普通加法叠加。19世纪的电磁学，尤其是麦克斯韦方程组，给这一框架带来了难题：它对电磁波的描述无法适用同一套运动观测者之间的变换关系。爱因斯坦在1905年的论文《论动体的电动力学》中，重新考察了时钟如何同步，以及观测者如何定义距离和同时性，从而解决了这一矛盾。(gutenberg.org)
随后，爱因斯坦开始寻求一种与这些思想相容的引力理论。1915年11月25日，他提出了完整的引力场方程。同月，他还证明，这一理论能够解释水星轨道进动中此前无法解释的部分，即每世纪约43角秒。这是相对论早期的一项重要检验，因为这一偏差此前已由天文观测确认。(einstein.caltech.edu)
狭义相对论
狭义相对论以两条基本假设为基础：物理定律在所有惯性参考系中具有相同的形式；真空中的光速记为 (c)，对所有惯性观测者都相同，与光源的运动无关。惯性参考系是指不受合力作用的物体在其中做匀速直线运动的参考系。这些原理取代了不同观测者共享同一个普适时间的假设。(sites.pitt.edu)
洛伦兹变换将彼此做相对匀速直线运动的观测者赋予同一事件的空间坐标和时间坐标联系起来。其推论之一是同时性的相对性：两个在空间上分离的事件，在一个参考系中同时发生，在另一个参考系中却未必同时发生。这是为事件确定时间时产生的差异，而不只是接收到这些事件发出的光时存在延迟。(gutenberg.org)
另外两个推论是时间膨胀和长度收缩。对于惯性观测者而言，运动时钟在相邻两次滴答之间累积的时间，比相同的静止时钟更少。运动物体沿运动方向测得的长度，比在其自身静止参考系中测得的长度更短。当相对速度为 (v) 时，这些效应涉及洛伦兹因子：
[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^{2}/c^{2}}}. ]
时钟经过的固有时间 (\Delta\tau) 对应于坐标时间 (\Delta t=\gamma\Delta\tau)；静止长度为 (L_0) 的杆，在杆处于运动状态的参考系中，其长度为 (L=L_0/\gamma)，测量时必须在该参考系中同时确定杆的两个端点位置。这些效应在日常速度下可以忽略不计，但在接近 (c) 时十分显著。(gutenberg.org)
狭义相对论还确立了质能等价。不变质量为 (m) 的物体具有静止能量
[ E_0=mc^{2}. ]
区分静止能量与总能量十分重要：运动物体还具有动能。改变系统内能的过程可以改变其质量；因此，与物质相关的能量并不是一种与惯性毫无关联的独立物理量。(gutenberg.org)
广义相对论
等效原理是广义相对论的出发点。在足够小的区域内和足够短的时间间隔中，自由落体观测者可以用狭义相对论描述非引力实验。反过来，加速运动也可以产生类似引力的效应。这种等效性是局域的：引力场的变化，包括潮汐效应，通常无法在整个较大区域内消除。(einstein-online.info)
广义相对论将引力解释为时空弯曲，而不是固定背景中作用的一种力。度量张量确定时空的几何结构，包括测得的距离和经过的时间。借助微分几何，爱因斯坦场方程将这种几何结构与物质的能量、动量、压力和应力联系起来。自由落体沿着称为测地线的自然时空路径运动。在适当的弱引力场、低速条件下，这一理论能够重现牛顿引力理论的结果。(ocw.mit.edu)
广义相对论的推论包括引力时间膨胀、光线偏折和黑洞。它也为宇宙学提供了引力理论框架，允许时空本身演化，而不再将宇宙视为物质在一个不变的舞台上运动。另一项预言是引力波，即在时空几何中传播的扰动。(einstein-online.info)
实验证据与应用
高速运动的不稳定粒子寿命延长的现象，已被用于检验时间膨胀。精密原子钟也能测量引力导致的时间流逝差异，包括高度仅相差毫米量级时的差异。这类实验利用可独立测量的物理过程，检验有关时间的理论预言。(einstein-online.info)
2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）直接探测到了两个黑洞合并产生的引力波。这一发现于2016年2月11日公布。观测到的信号与理论预言的演化过程吻合，依次经历了旋近、合并，以及合并后形成的黑洞趋于稳定的阶段。(arxiv.org)
相对论对卫星导航也具有实际影响。全球定位系统（GPS）卫星搭载的原子钟，由于轨道运动和引力环境的共同影响，其走时速率与地球上的时钟不同。GPS计时系统纳入了相对论修正，使卫星信号能够用于精确定位。(nist.gov)
与量子理论的关系
狭义相对论已被纳入量子场论，后者将相对论原理与量子力学结合起来。然而，广义相对论仍是一种描述引力的经典理论。建立一套自洽且得到实验验证的量子引力理论，仍是尚未解决的问题，尤其是在强引力效应和量子行为都不可忽略的条件下。(einstein-online.info)