Ni “teorije relativnosti” – le dve teoriji, ki obe občasno spadata pod isti označevalec – posebna teorija relativnosti in splošna teorija relativnosti. Obe teoriji je med letoma 1905 in 1915 zasnoval slavni fizik Albert Einstein. Obe teoriji sta prevrnili Newtonovo klasično mehaniko, ki je veljala pred stoletji.
Posebna relativnostna teorija je teorija strukture prostor-časa, ki trdi, da 1) so zakoni fizike enaki za vse opazovalce, ki se enakomerno gibljejo drug glede na drugega in 2) da je hitrost svetlobe v vakuumu enaka za vsi opazovalci, ne glede na njihovo gibanje gibanja svetlobnega vira. To vodi do nenavadnih posledic. Predstavljajte si na primer, da se premikate na vlaku, ki vozi 100 mph, poleg drugega vlaka, ki se giblje v isti smeri s hitrostjo 100 mph. Z vaše perspektive je vlak poleg vas videti skoraj nepremičen. Predstavljajte si, da ste na vlaku, ki se giblje s svetlobno hitrostjo, medtem ko ste poleg svetlobnega žarka. Namesto da bi svetlobni žarek izgledal, kot da miruje, se premika pred vami s svetlobno hitrostjo. Svetloba je tako čudna.
Več posledic, ki izhajajo iz posebne teorije relativnosti, je 1) dilatacija časa (ure, ki se gibljejo blizu svetlobne hitrosti, delujejo počasneje kot mirujoče ure), 2) krčenje dolžine (predmete, ki se gibljejo blizu svetlobne hitrosti, se zdi, da se skrčijo v smer gibanja), 3) relativnost simultanosti (stvari, za katere se zdi, da se mirujočemu opazovalcu A zdijo, da se dogajajo ob različnih časih premikajočemu se opazovalcu B), 4) enakovrednost mase in energije (masa in energija sta v bistvu ista stvar in se preoblikuje drug v drugega).
Splošna teorija relativnosti, ki je bila zasnovana nekaj let po posebni teoriji relativnosti, je teorija o delovanju gravitacije. Sprva je temeljil na načelu enakovrednosti, ideji, da sta pospešek in mirovanje v gravitacijskem polju določene jakosti fizično identična. Ker za ustvarjanje inercialnih učinkov v pospeševalnem objektu ni potrebna nobena posebna sila, je Einstein predlagal, da bi morali enako razmišljati o gravitaciji, pri čemer se opustimo klasičnemu pojmu gravitacijske sile in namesto tega pojmujemo gravitacijo kot krivulje v prostor-času. To pojasnjuje pojave, kot je, zakaj se svetloba upogiba v prisotnosti gravitacijskega polja, čeprav nima mase.
Splošna teorija relativnosti ponuja razlage in napovedi, ki bi se v svetovnem nazoru klasične mehanike zdele smešne. Poleg upogibanja svetlobe ob prisotnosti gravitacijskega polja napoveduje, da čas teče počasneje v prisotnosti gravitacijskega polja, planetarne orbite precesirajo (spreminjajo) zaradi navora, ki ga izvaja Sončevo gravitacijsko polje, pride do vlečenja okvirja, pri čemer pride do masivnega vrteča se telesa s seboj »vlečejo« inercialni okvir okoliškega prostor-časa in da se vesolje širi, v nekaterih primerih hitreje od svetlobne hitrosti, ker se širi sam prostor, ne predmeti v njem.
Razkrivanje implikacij teh teorij je trajalo desetletja in traja še danes. Einsteinove teorije so bile tako usmerjene v prihodnost, da so trajala desetletja, da so jih preizkusili in potrdili z veliko natančnostjo. V zadnjem času so bile Einsteinove ideje skoraj popolnoma potrjene.