W fizyce Arystotelesa występował jeden wyróżniony układ odniesienia, względem którego ciała pozostawione sobie miały osiągać swój „naturalny” stan — spoczynek. W fizyce I. Newtona jest wyróżniony nieskończony zbiór
układów odniesienia, tzw. układów inercjalnych. Współrzędne punktu w 2 różnych inercjalnych układach odniesienia są ze sobą związane przekształceniami
Galileusza, a czas we wszystkich układach odniesienia przebiega tak samo (czas absolutny). Według zasady względności fizyki Newtonowskiej żadne zjawisko fizyczne nie powinno wyróżniać jakiegoś układu inercjalnego wobec pozostałych, czyli prawa fizyki Newtonowskiej nie powinny się zmieniać przy przekształceniach Galileusza. Newtonowska zasada względności była w zgodzie z doświadczeniem przez prawie 200 lat. Powstała pod koniec XIX w. elektrodynamika, oparta na
równaniach Maxwella, zmieniających swą postać przy przekształceniach Galileusza, zdawała się prowadzić do wniosku, że zjawiska elektromagnetycznego wyróżniają jeden układ inercjalny — układ, w którym spoczywa eter kosmiczny. Przeprowadzone doświadczenia (m.in.
doświadczenie Michelsona–Morleya) mające określić, w jakim układzie eter spoczywa, prowadziły do wniosku, że takiego układu nie można znaleźć za pomocą zjawisk elektromagnetycznych oraz że prędkość
c rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych, a więc także światła, jest we wszystkich inercjalnych układach taka sama. W 1905
A. Einstein zaproponował żeby przyjąć, iż równania Maxwella mają tę samą postać we wszystkich układach inercjalnych, a współrzędne i czas w takich układach są ze sobą związane
przekształceniami Lorentza. W konsekwencji zasadę względności Newtona należy uznać za zasadę przybliżoną, słuszną, gdy prędkość względna układów jest mała w porównaniu z
c, i przyjąć nową zasadę względności, według której prawa fizyki nie zmieniają się przy przekształceniach Lorentza. Teorię opartą na zasadzie względności Einsteina nazywa się
szczególną teorią względności. Podstawowym pojęciem szczególnej teorii względności jest
zdarzenie. Zbiór zdarzeń stanowi czasoprzestrzeń (czasoprzestrzeń Minkowskiego). Wszystkie właściwości tego zbioru niezmiennicze względem przekształceń Lorentza stanowią czterowymiarową geometrię czasoprzestrzeni. Z przeprowadzonej przez Einsteina analizy pojęć czasoprzestrzennych, przy korzystaniu tylko z elementarnych pojęć fizyki klasycznej i niezmienniczości prędkości światła, wynika, iż pojęcie czasu absolutnego jest pojęciem przybliżonym, mającym sens jedynie w sytuacjach, kiedy można uznać, że
c = ∞. Elektrodynamika spełniała nową zasadę względności automatycznie, a reszta fizyki klasycznej wymagała modyfikacji. Einstein sformułował nową (tzw. relatywistyczną) mechanikę, a także termodynamikę i optykę zgodnie z nową zasadą względności; klasyczne wersje tych teorii okazały się teoriami przybliżonymi, słusznymi dla prędkości małych w porównaniu z
c.
Szczególna teoria względności przewidziała istnienie licznych, nieznanych przedtem zjawisk, z których wszystkie znalazły potwierdzenie w doświadczeniach. Za najważniejsze jej konsekwencje uznaje się: uzależnienie czasu przebiegu zjawisk fizycznych, masy cząstek i wielu innych wielkości od stanu ruchu układu, w którym te zjawiska są opisane; podanie związku
E =
mc2 pomiędzy masą
m i energią
E ciała; eliminację z fizyki pojęcia eteru i nadanie
polom fizycznym statusu samodzielnych obiektów fizycznych, charakteryzujących się masą, gęstościami pędu, energii, momentu pędu itp.; uznanie pewnych wielkości, uznawanych poprzednio za wielkości odrębne, za składowe jednej wielkości określonej w czasoprzestrzeni. Szczególna teoria względności stanowi podstawę konstrukcji współczesnych akceleratorów cząstek, a kinematyka relatywistyczna jest potwierdzona tysiącami doświadczeń nad rozpraszaniem cząstek o wysokich energiach. Zasada względności Einsteina jest we współczesnej fizyce przyjmowana jako jedno z podstawowych kryteriów metodologicznych, które powinna spełniać każda teoria. W 1916 Einstein sformułował
ogólną teorię względności. W teorii tej zjawisko powszechnego ciążenia (
grawitacja) jest spowodowane wystąpieniem krzywizny czasoprzestrzeni, która jest przestrzenią bardziej ogólną (
Riemanna geometria,
nieeuklidesowe geometrie) niż niemająca krzywizny czasoprzestrzeń Minkowskiego. Właściwości geometryczne tej ogólnej czasoprzestrzeni zależą od ruchu i rozkładu materii oraz pól, i z kolei same określają ruch materii oraz mają wpływ na pola. Zależność ta jest określona przez
równania Einsteina; rozwiązaniami tych równań są czasoprzestrzenie odpowiadające rozmaitym sytuacjom fizycznym, a jedną z nich, dla przypadku gdy nie ma materii i pól, jest czasoprzestrzeń Minkowskiego. W ogólnej teorii względności nie ma żadnych wyróżnionych układów odniesienia. Pojawiają się one jednak wtedy, gdy rozwiązania równań Einsteina mają pewnego rodzaju symetrie. Czasoprzestrzeń Minkowskiego jest rozwiązaniem o maksymalnej symetrii, a układy odniesienia wyróżnione przez tę symetrię są układami inercjalnymi. Ogólna teoria względności przewiduje poprawki do ruchu ciał i światła w polu grawitacyjnym; zostały one potwierdzone przez doświadczenie (
Mössbauera zjawisko). Ogólna teoria względności znalazła duże zastosowanie w astrofizyce i kosmologii; umożliwia ona m.in. konstruowanie modeli kosmologicznych Wszechświata; jeden z takich modeli tłumaczy zaobserwowane zjawisko ucieczki odległych galaktyk rozszerzaniem się Wszechświata.
