相對論（英文名：Theory of relativity）是關于時空和引力的理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）創立，通常包括阿爾伯特·愛因斯坦提出并于1905年和1915年分別發布的兩個相互關聯的物理理論：狹義相對論和廣義相對論。在沒有重力的情況下，狹義相對論適用于所有物理現象。廣義相對論解釋了引力定律及其與自然力的關系。它適用于宇宙學和天體物理領域，包括天文學。
狹義相對論（special relativity），主要是由愛因斯坦于1905年創立的一個應用在慣性參考系下的時空理論，是對牛頓（Newton）時空觀的拓展和修正。阿爾伯特·愛因斯坦在他1905年的論文《論動體的電動力學》中介紹了其狹義相對論。廣義相對論（General Relativity）是描述物質間引力相互作用的物理理論，它不僅是狹義相對論的推廣，其對引力的全新描述和牛頓引力理論有本質的不同。
狹義相對論的基本假設是和舊時空觀念矛盾的，舊時空觀念是從低速力學想象中總結、歸納出來的，集中反映在關于慣性系間的伽利略變換中。狹義相對論的主要內容包括慣性參考系之間的時空坐標的洛倫茲變換及其物理意義，集中展現相對論的時空觀。實際區別于艾薩克·牛頓的絕對時空觀，狹義相對論將時間和空間與觀測者視為一個不可分割的整體。在廣義相對論中，引力作用被表現為一種幾何效應，即時空的彎曲，其包含的兩大核心思想為等效原理，并以此為基礎發展出了愛因斯坦場方程。實際上除了廣義相對論，其他的相對論性的近代物理理論如狹義相對論力學、狹義相對論量子力學、狹義相對論量子電動力學、狹義相對論性的粒子物理理論等都是四維平直時空中的動力學理論，即其動力學方程在洛倫茲變換下保持形式不變。
相對論引入的概念，包括時空、同時性之相對性、運動學、重力時間膨脹和洛倫茲收縮。該理論改變了理論物理學和天文學，是近代物理學的一大支柱，預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應（相對論效應），如時間膨脹、橫向多普勒頻移、長度收縮、質速關系、質能關系等。
20世紀初，相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現代物理學的基礎。相對論還預言了質能方程E=mc2，解釋了基本粒子及其基本相互作用，為核能的利用提供了理論基礎，開啟了核時代。相對論使宇宙學和天體物理學預測到了一些的天文現象，比如中子星、黑洞和引力波，為人類揭示了宇宙的起源和演化。這些預言已經得到了許多高精度實驗的證實，這進一步證明了相對論的正確性。
歷史背景
牛頓引力理論
1687年，艾薩克?牛頓（Isaac Newton）出版了《自然哲學的數學方法》，對其萬有引力理論進行了詳細的描述。其萬有引力定律表示為任何兩個質量分別為、的質點都存在通過其連心線方向上的相互吸引的作用力，其引力的大小與二者的質量的乘積成正比，并與它們之間的距離成反比，與兩個物體的化學組成與介質種類無關。牛頓認為存在一個絕對時空，并將慣性系定義于絕對時空中，萬有引力定律理論為天文學家預測行星的運動提供了精確的方法。即便萬有引力定律在弱引力場里得到了非常重要的應用，但它仍存在著嚴重的問題，如水星的軌道進動量與牛頓理論預測不一致。
以太假說
尋找以太，以及確定地球相對于以太的運動成為19世紀末物理學的一個重要課題。起初有人為了解釋實驗事實，引入了一種假想物質“以太”，并賦予它許多特殊的性質。例如：以太不具有質量；不僅在真空中存在，而且無處不在，并且可以滲透到一切物質的內部，用來傳播電磁波；同時對宏觀物體的運動又沒有任何拖曳。由于當時以太理論在人們的頭腦中根深蒂固，所以大多數物理學家認為以太就是那個特殊的絕對慣性系。
伽利略變換與電磁學
1851年，菲索（Fizeau）實驗測量了運動介質中的光速，其結果與相對論加法的共線速度一致。
1865年，詹姆斯·麥克斯韋（麥克斯威（上海）商貿有限公司）總結了前人的成果，提出了位移電流的假說，建立了系統的電磁理論。該理論中存在一個普適常數：真空中的光速，但是卻沒指出這個速度是相對于哪個參考系的。從牛頓的絕對時空觀出發，光速應當是相對于某一特殊參考系的速度，因此麥克斯韋方程組只能對該特殊參考系成立。有些學者認為，存在一種絕對靜止的光的傳播媒介——以太，光速正是相對于以太參考系的速度。為了證明以太的存在，物理學家們設計了多個精密實驗來進行研究。然而，各個實驗所得結果卻相互矛盾，這迫使人們不得不重新審視艾薩克·牛頓的絕對時空觀。
按照經典力學的概念，光沿任意方向的速度只有在某個特定的慣性參考系（以太系）中才等于，按照伽利略·伽利萊速度變換法則，在相對于以太以速度運動的參考系中光沿各個方向的速度不相同，這樣在地球上如果能夠精確測定各個方向光速的差異，就可以確定地球相對于以太的運動。
邁克耳孫－莫雷實驗
1881年，邁克爾遜-莫雷實驗進一步支持了無法實現絕對參考速度的假設。這里應該指出的是，與許多替代性說法相反，它很少提到光速相對于光源和觀察者速度的不變性，因為光源和觀察者在任何時候都以相同的速度一起旅行。
阿爾伯特·邁克爾遜（A.A. Michelson）發明了一種靈敏的儀器——邁克耳孫干涉儀，并于1881年首次用它做了觀測實驗，得出了否定的結果（即觀察不到地球相對于以太的運動）。以后，邁克耳孫與莫雷（E.W. Morley）合作改進了儀器，提高了靈敏度。目的是測出地球繞日運行穿過以太的速度——也就是“以太漂移”的速度，而實驗結果支持了光速不變的假設。
1887年，艾伯特?邁克爾遜（Albert Michelson）和愛德華?莫雷（Edward Morley）在美國俄亥俄州克利夫蘭所做的實驗中，他們的的實驗儀器是一個巨大的石箱，里面有許多鏡子及交叉的光線，可以精確地測出光速的變化。據此，當地球在太空中快速運動時，阿爾伯特·邁克爾遜和達雷爾·莫雷預測光束應該會改變，可是他們卻無法測出光束任何的變化。阿爾伯特·愛因斯坦是否留意到這個特別的實驗 一直為大家所爭論，但是他對時間與空間的分析給這個結果提供了一個解釋。在阿爾伯特·邁克爾遜和莫雷所測得的結果出現后，愛因斯坦決定在他的狹義相對論中完全摒棄以太的觀念，而從兩個基本假設著手。
馬赫原理
1883年，恩斯特·馬赫（Ernst Mach）從哲學思辨的角度對牛頓的“水桶實驗”解釋進行評判，馬赫認為不存在絕對時空，所有的運動都是相對的，他認為慣性力起源于受力物體相對于宇宙中遙遠星系的加速運動，換言之，物體的慣性是宇宙中遠場物質對受慣性力物體的引力作用的總和。馬赫原理突破了牛頓的絕對時空觀，并試圖解釋慣性、慣性力的來源，同時在馬赫的思路之下，慣性力與萬有引力十分類似，都起源于物質之間的相互作用。
阿爾伯特·愛因斯坦在發展等效原理思想的時候受到了馬赫原理很大的啟發，他猜測慣性力與萬有引力之間存在更深刻的內在聯系。
引力質量與質量
在牛頓力學中質量有兩種定義。1890年到1908年間，匈牙利物理學家厄缶（L.von）涉及了一系列實驗以驗證引力質量與慣性質量相等，他的實驗結果表明引力質量以的精度與慣性質量相等。引力質量與慣性質量的等價性使阿爾伯特·愛因斯坦產生了對慣性力與引力之間的內在聯系的猜測。
二十世紀后的研究與發現
亨利·龐加萊發表于1898年的《時間的測量》，1900年的《洛倫茲理論和作用與反作用力原理》，1902年的《科學與假設》，1904年的《數學物理的現狀與未來》等四篇文章和書籍，不僅深刻地影響了同時代學者的思維方式，而且一百多年來也始終是普通知識分子了解和認識科學及科學哲學的經典文獻。
19世紀末，亨德里克·洛倫茲的工作奠定了狹義相對論的基礎，其后龐加萊與洛倫茲的互動和相互啟發，直接催生了狹義相對論的誕生。
1902年，亨利·龐加萊明確指出，洛倫茲的理論意味了同時性的相對性。
1904年，洛倫茲發現了我們今天以他名字命名的時空變換。
1905年，龐加萊確立了狹義相對論的贗歐幾何結構。事實上，早在1881年龐加萊就發現了2+1維贗歐幾何的數學結構。1891年他又意識到，這是獨立于歐幾里得、尼古拉·羅巴切夫斯基和黎曼幾何的第四種幾何學。因為赫爾曼·閔可夫斯基在狹義相對論上的最早工作是在1907年11月哥廷根市數學學會上的報告，所以四維時空所構成的空間，在任何意義上都應該被稱為亨利·龐加萊空間，而不是閔可夫斯基空間。
狹義相對論的提出
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦在其完成的論文《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論他發表于1905年的《論動體的電動力學》和《物體的慣性同它所含的能量有關嗎》兩篇經典論文。事實上，愛因斯坦直到1912年才真正理解龐加萊四維時空的贗歐幾何結構，這成為他建立廣義相對論的一個重要里程碑。
廣義相對論的形成
1907年，阿爾伯特·愛因斯坦的數學老師赫爾曼·閔可夫斯基將愛因斯坦發表的狹義相對論整理成立4維時空的形式，采用四維的語言來重新描述了狹義相對論，在發展廣義相對論時，他了解到了伯恩哈德·黎曼等人的數學成果，并在老友格羅斯曼的幫助下系統地鉆研和學習了黎曼幾何的基本知識，并利用黎曼幾何的語言建立起了廣義相對論，實際上，廣義相對論使用的幾何本質上是一種偽黎曼幾何。
廣義相對論中，阿爾伯特·愛因斯坦將狹義相對論與另一條觀察相結合：引力對一個具有質量的物體的影響與加速度對該物體的影響是無法區別的。在十年的深思熟慮后，愛因斯坦得出了結論：引力是彎曲時空的產物。太陽讓地球環繞軌道周轉，靠的不是對地球施加物理上的力，而是因為太陽的質量扭曲了周圍的空間，從而迫使地球那樣子運動。照物理學家約翰·惠勒的話來說，就是“時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲”。隨著天文現象的發現，如脈沖星和黑洞，該理論解釋了它們的屬性，并對它們的測量進一步證實了該理論。
阿爾伯特·愛因斯坦在1907年至1915年間發展了廣義相對論，1915年后也得到許多其他人的貢獻。廣義相對論的最終形式于1916年發布。
諾貝爾物理學獎的五人委員會從始至終都由堅定信奉實驗主義信條的瑞典物理學家主導，他們認為，復雜的理論和數學在物理學的進步中僅僅扮演了微不足道的角色。在1920年提交給科學院的常規報告中，委員會根據委員會成員斯萬特 · 阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）的特別報告對阿爾伯特·愛因斯坦的成就進行了駁斥，認為他基于相對論的預測并未得到足夠的證實，這些預測包括：經過太陽附近的星光偏折、水星軌道的不規則性，以及太陽光譜中的紅移現象。
1921年，愛因斯坦在物理學界的地位得到了鞏固。在這一過程中，他從世界范圍內的諾貝爾獎提名者那里獲得了相對廣泛的公開支持。
1939年，理查德·托爾曼（R. C. Tolman）、羅伯特·奧本海默（J. R. Oppenheimer）和沃爾科夫（G. M. Volkoff）三人在廣義相對論的框架下計算了基于理想中子氣簡并壓和引力的平衡建立了第一個定量的中子星模型，即TOV方程，并得到了中子星內部的物質分布狀況以及他的質量與半徑。
由于廣義相對論中的球對稱真空解即史瓦西黑洞解中存在奇點，1964年，英國物理學家羅杰·彭洛斯（Roger Penrose）開始思考奇點的問題，他拋棄了嚴格球對稱的假設并發明了新的數學方法，利用拓撲學的知識證明了在廣義相對論框架里，黑洞內部一定存在奇點。這一黑洞研究結果首次令人信服地證明了黑洞的存在是廣義相對論的必然結果。
根據廣義相對論，兩個天體相互繞轉時會產生引力輻射，輻射的強度高度依賴于系統的致密性，因此雙中子星系統、中子星黑洞雙星系統、雙黑洞系統都是理想的引力波源。2015年9月14日，LIGO探測到的第一例引力波事件便是雙黑洞并合事件。
2017年8月17日，LIGO與Virgo首次探測到了來自于雙中子星并合事件GW170817的引力輻射，同時天文學家們還觀測到了對應的短時標伽馬射線暴與千新星輻射，開啟了多信使天文學研究的新時代。接著在2020年1月5日，LIGO探測到了首例中子星-黑洞并合事件GW200105。自此，LIGO引力波探測器探測到了三類致密雙星系統并合事件。
狹義相對論
狹義相對論僅適用于相對慣性參考系運動的物體，即彼此之間保持勻速運動的狀態，以至于純粹通過機械實驗無法區分彼此。從光（以及所有其他電磁輻射）的行為開始，狹義相對論得出的結論與日常經驗相悖，但經過實驗證實，特別是觀察高速運動的次原子粒子或測量以不同速度運動的時鐘之間的微小變化。狹義相對論揭示了光速是任何物質對象都可以接近但無法達到的極限。它是質能方程E = mc2的起源，表達了質量和能量是同一物理實體，可以相互轉化。
基本原理
狹義相對論以文中提出的兩條基本假設為出發點，這兩條假設也稱為狹義相對論的基本原理，分別是相對性原理和光速不變原理。
相關預測
時間膨脹在狹義相對論中，時鐘的“減速”是由相對于該時鐘相對運動的觀察者確定的。在狹義相對論中，慣性（即非加速）運動的觀察者具有明確定義的方法來確定哪些事件與給定事件同時發生。然而，相對于第一個慣性觀察者處于相對運動狀態的第二個慣性觀察者將與第一個觀察者不同意哪些事件與該給定事件同時發生。
在狹義相對論中，光速不變原理是兩個基本原理之一，同時性的相對性、時間膨脹效應和長度收縮效應都是最基本的概念。當相對于另一參照系中的觀察者以接近光速的速度移動時，就會發生時間膨脹。在你的參照系中測量的時間稱為固有時間。當你測量他人的時間時，你會發現你的參照系正在經歷膨脹的時間。
時間不是一個絕對的概念——它是相對的。并不存在一個滴答作響的時鐘為全宇宙報時。把時空結構想象成一個網格，每個網格的四角都有一個時鐘。如果同時啟動所有這些時鐘，會發現盡管是在同一時間啟動，但每個時鐘的滴答聲都不同步。
時鐘滴答的速度取決于觀察者之間不斷的相對運動。宇宙中各處的時間流速并不相同。它還取決于觀察者之間的距離。觀察者之間的距離越遠，時間差就越明顯。簡單地說，如果宇航員在太空中旅行的時間不多，時間對宇航員來說就會流逝得更快。但如果宇航員在空間中國移動通信集團得多，時間似乎就會變慢。人類生活在一個由一維時間和三維空間組成的四維宇宙中。空間和時間并不是獨立的，而是相互關聯的。時空是一個保持不變的量，維持著光速保持不變。
在不同的慣性系中，兩個觀察者之間時間膨脹的相互性導致了所謂的雙胞胎悖論，Langevin在1911年以現在的形式闡述了這種悖論。眾所周知的雙生子佯謬就源于這個問題。想想看，有一對雙胞胎兄弟，年齡相同。現在，把其中一個哥哥送上一艘速度接近光速的飛船。根據飛船上的時鐘，他將在1個月后返回地球。從弟弟的角度來看，處于靜止狀態，送走的雙胞胎哥哥則在飛船上度過了10年。然而，從雙胞胎哥哥的角度來看，弟弟在向后移動，而他的飛船處于靜止狀態。當哥哥回來時，弟弟是更年長的那一位，這就產生了誰更老的悖論。
解決這個悖論的方法很簡單。當他們之間存在恒定的相對速度時，不可能確定誰處于靜止誰處于運動狀態。但是，如果你的雙胞胎兄弟想返回地球，他就不得不讓飛船減速并掉頭。此時，雙胞胎的參照系不再是慣性參照系。這樣就可以認為雙胞胎兄弟在運動，其時間會膨脹，并使其成為更年長的那個。
另一方面，如果雙胞胎兄弟選擇不掉頭，那么兩人都處在慣性參照系中。相對于對方都處于靜止狀態，永遠不會相遇。在這種情況下，就不存在悖論了。時間膨脹的確是一種物理現象，只不過它取決于參照系。
長度收縮
“尺縮效應”，即動尺縮短：一把運動的尺子會比在靜止時縮短，雖然它在自己看來自己并沒有縮短。這樣的效應是由于參考系之間的洛倫茲變換帶來的，而洛倫茲變換的出發點之一也正是光速不變原理。
“長度收縮”是相對論的重要結論，是指， “靜止長度”為L的物體，在相對其運動速度為v的觀察者看來，觀察到的“運動長度”l要比其靜止長度L短，兩者關系為：。可總結為桿從靜止沿長度方向加速，原靜止系觀察者觀測該桿運動長度恒等于原長度；從與運動桿相對靜止的慣性系觀測，桿的靜止長度變長。這種變化與加速度大小無關，由桿的運動速度決定。
速度的洛倫茲變換
一般地認為，在低速條件v遠小于c，在牛頓時空中，伽利略·伽利萊變換沒有給出對速度的限制，因此運動速度沒有上限若低速可理解為光速為無窮大假設下的有限速度，則牛頓時空可考慮為相對論時空在這個極限下的結果。在低速情況下，一般可認為洛倫茲變換近似化為伽利略變換。其實不然，伽利略變換丟掉了反映時空結構性質的重要信息，只能說伽利略變換近似適用于低速情況。作為反映物理時空性質的變換，伽利略變換是經驗性的。只有對伽利略變換進行適當修改，才可以作為低速條件下洛倫茲變換的近似形式。
相對論質量
即同一個物理，運動時的質量比靜止時的質量大（?，m0為靜止時的質量，m為運動時的質量，v為物理的運動速度），之所以物體的運動速度不能超過光速，原因就在此（當v大于c時，分母開根號是個虛數，沒有物理意義）。阿爾伯特·愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文的最后，推導出了電子質量隨速度變化的關系和電子的動能公式，并由電子速度等于光速c時動能變為無窮大的結果預言電子速度不可能大于光速。
質能方程
力學定律在亨德里克·洛倫茲變化下需要保持形式不變，為此牛頓第二運動定律應當改為：式中為物體的體量，其中u是物體的速度，慣性質量m是物體速度的函數，在狹義相對論力學中，物體的慣性質量分為靜質量和相對論質量兩者的關系由質速關系給出。
類似地，物體的能量分為固有能量E0和相對論能量（總能量）E，動能K是總能與固有能量之差：。此時物質的慣性質量和能量之間的關系式簡稱質能關系，即：
實驗檢驗
狹義相對論實驗檢驗
狹義相對論的理論主要通過實驗來驗證，實驗大體上分為以下六大大類：相對性原理的實驗檢驗、光速不變原理的實驗檢驗。時間膨脹實驗、緩慢運動介質質的電磁現象實驗、相對論力學實驗、光子靜止質量上限的實驗。關于相對性原理的驗證，電動力學和光學已有很多例子，特別是運動物體的電磁感應現象，這里著重說明其余五大類的實驗驗證。
光速不變原理的實驗檢驗
首先，同光速不變原理有關的大量實驗已經證明，真空中光速同光源的運動速度與慣性運動狀態無關。定量的測量表明，真空中平均回路光速c是一個常數，約為每秒30萬千米 (c的精確測量值見基本物理常數)。
這類實驗中，最著名的是邁克耳孫莫雷實驗。這個實驗是在相對論出現之前很久的1881年首先由A.A.阿爾伯特·邁克爾遜完成的。
1887年邁克耳孫和E.莫雷又用干涉儀以更高的精度重新做了觀測。這個實驗的目的是測量地球相對于以太的運動速度。但實驗結果同以太論的預言相矛盾。狹義相對論建立之后，這個實驗就被看成是光速不變原理和狹義相對性原理以及否定以太論的重要實驗基礎。還要說明一點，現有的實驗(包括邁克耳孫莫重富實驗)并沒有證明光速是否同方向無關。引入光速同方向無關的假定是為了定義不同地點的事件的同時性，在沒有其他方法確定這種同時性之前，光速是否同方向無關是無法用實驗判斷的。
多普勒頻移觀測驗證
多普勒頻移的觀測精度已達到0.5%，對介子壽命的觀測精度約達0.4%，用原子鐘做的實驗精度較低約10%，這些實驗的結果都同相對論的預言符合。
時間膨脹實驗檢驗
在原子鐘環球航行的實驗中，雖然飛機速度遠小于光速，但由于測量精度很高，仍然觀測到了時間膨脹的相對論效應。
運動介質質的電磁現象實驗檢驗
觀測運動介質對光速影響的實驗主要是菲索類型的實驗。這個實驗最初是法國科學家菲索在1851年完成的，證明了運動介質中的光速同靜止介質中的光速不同，而且其差異和阿爾伯特·愛因斯坦速度相加公式的預言相符。通常把這種現象稱為"菲索效應"。這類實驗中，運動介質的運動方向包括了同光線方向垂直或成布儒斯特角等各種情況，其結果也都同狹義相對論速度相加公式的預言相符。
相對論力學實驗檢驗
包括質速關系（慣性質量隨物體運動速度的變化）和質能關系（即E=mc2關系）。質速關系是用電子和質子做的，事實上各種高能質子加速器和電子加速器的設計建造都驗證了質速關系。質能關系主要是通過核反應來進行檢驗，精度達到了百萬分之三十五。荷電粒子的電磁偏轉實驗、回旋加速器的運轉、高速粒子飛行時間的測量、原子光譜精細結構分裂的解釋等都為質速關系提供了證據。核能發電、原子彈和氫彈的實現都以質能關系為理論基礎。
光子靜止質量上限的實驗檢驗
有關光子靜止質量的實驗都沒有觀察到光子有靜質量，因此只給出了光子靜質量的上限。對庫侖定律的檢驗給出的上限是1.6×10-47克，根據旋臂磁場范圍對光子靜質量上限做的估計約為10-59克。
除了上述六類主要的實驗外，還有其他形式的實驗。所有這些實驗都沒有觀察到同狹義相對論有什么矛盾。此外，狹義相對論在相對論性量子力學、量子場論、粒子物理學、天文學、天體物理學、相對論性熱力學和相對論性統計力學等領域中的成功應用，也都為它的正確性提供了豐富的證據。
廣義相對論
廣義相對論是描述物質間引力相互作用的物理理論。它以狹義相對論為基礎，采用黎曼幾何作為數學語言，利用幾何語言來描述時空，并以等效原理為基本原理假設。廣義相對論的核心理論內容為愛因斯坦場方程，該方程描述了物質與時空之間如何相互作用。
廣義相對論中的“相對”不僅涉及不同慣性參考系之間的相對性，還涉及了引力場中的時空彎曲。在廣義相對論框架下，物質的存在會引發周圍時空的彎曲，物體的運動軌跡則由這種彎曲的時空幾何所決定。這一理論革新了人類對引力本質的認知——引力不再被視為超距作用，而是時空結構本身的幾何特性體現。通過生活中的常見類比可輔助理解這一機制：將平直時空類比為一張緊繃的床單，當在床單中央放置一個代表大質量天體（如地球）的籃球時，床單會因籃球質量產生凹陷（對應時空被質量彎曲的現象）；此時若在床單上放置一顆玻璃球（模擬其他物體），玻璃球會沿凹陷向籃球方向滾動。這種看似“被吸引”的運動本質上是彎曲時空對物體運動路徑的引導結果。
基本原理
基本原理分為弱等效原理和強等效原理。
弱等效原理：在無窮小的時空范圍內無法用任何力學實驗來區分引力場和慣性場。弱等效原理與“引力質量與慣性質量相等”是等價的，二者可以互相推出，由于有很好的實驗基礎，因此弱等效原理有著很強的實驗支撐。2022年9月，蔚藍海岸天文臺與MICROCROPE對弱等效原理的驗證精度達到了。
強等效原理：在無窮小的時空范圍內無法用任何物理實驗來區分引力場與慣性場。將弱等效原理的力學實驗拓展至任何物理實驗，廣義相對論是在強等效原理的基礎之上建立的。
等效原理揭示了在無窮小時空范圍上引力與慣性力的潛在聯系。我們可以將等效原理表示為在任意引力場中，在每一個時空點可以選取一個局部慣性系，使在引力場中該時空點的無窮小鄰域內，自然規律的形式與沒有引力場時的狹義相對論的表述形式相同。
電梯實驗
為了說明等效原理，阿爾伯特·愛因斯坦設計了電梯思想實驗，一個人處在一個密閉的電梯中。他的手上拿著一個蘋果，并站在一個秤上。當電梯處于地球表面時，秤會顯示他的重量，當他松開手，蘋果就會自由落體墜落，重力加速度為a（如圖1左所示）。如果電梯不在地球表面，而是在遠離任何引力場的太空中，但由于電梯底部安裝了動力裝置，使電梯以一定的加速度a向上方運動，這時他也能感受到自身的重量且放下蘋果后，他依舊會看到蘋果會向下自由落體（如圖1右所示）。他對于兩種情況下的感知是相同的，并無法分辨出究竟是引力還是慣性力作用于自身。因此阿爾伯特·愛因斯坦認為局部上引力與慣性力是等價的。
但是當電梯較大以至于電梯中不同區域的引力場有所差異，引力場中的人若在處處放置一個重力儀，便會發現引力的力線并不平行，而在無引力場中做加速運動的人測得的力線是平行的，由此可以將引力與慣性力區分。這也說明了等效原理僅在足夠小的區域內是成立的。
相關預測
黑洞與引力波
廣義相對論預言了許多現象，如黑洞、引力波等。黑洞是時空中的某些區域發生極度扭曲，以至于連光都無法逸出的天體。而引力波則是引力場中的擾動，它像水波一樣在時空中傳播。
廣義相對論早在1915年就指出“引力場越強，時間就越慢”，但直到1976年才有了第一次精確的實驗驗證：當時科學家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發現它比海平面時鐘大約每73年快一秒。
2022年，中國科學家葉軍的科研團隊在《自然》雜志發表文章，通過團隊開發的世界上最精確的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時間相差大約一千億億分之一，該研究也是迄今為止在最小尺度上驗證廣義相對論的實驗。
引力透鏡效應
引力透鏡效應指光線穿過大質量物體時周圍時空會產生彎曲，使人們可以看到處于其背后的天體。1919年5月日全食時，科學家觀測到太陽附近的恒星的輕微的錯位，首次發現了引力透鏡效應。1937年，瑞士天文學家扎維奇（外文名Fritz Zwicky）提出將整個星系團看做一個引力透鏡，預測了星系團引力透鏡的存在。42年后，天文學家沃爾什（外文名D. Walsh）、卡斯維爾（外文名R. F. Carswell）和威曼觀測到了兩個相同的類星體，而它原來是兩個獨立圖像的一個類星體，首個河外星系引力透鏡被發現了。
光線在引力場存在下發生偏折
根據廣義相對論，光線在引力場中會產生偏折現象，廣義相對論中預言當光線經過太陽附近時，應向太陽偏折。但這個偏折角度非常小，很難得到觀測。1919年，利用日全食，英國天文學家亞瑟·埃丁頓領導兩只遠征觀測隊在西非和巴西進行了測量，測得的偏轉角在，與阿爾伯特·愛因斯坦的預言完全一致。
1964年，露西·夏皮羅（外文名Irwin Shapiro）提出用雷達回波延遲實驗檢驗廣義相對論的建議。從地球向某一行星發射一束雷達，雷達到達行星表面后會反射回地球，由此可以測出來回所需的時間，當光線在太陽附近傳播時，由于太陽附近時空的彎曲，雷達經由太陽附近往返所需的時間會相較遠離太陽附近傳播的來回時間更長，即出現延遲效應。夏皮羅小組對水星、金星、火星進行了實驗測試，實驗數據與廣義相對論的理論計算結果不確定度在1%左右。
受太陽和月亮引力影響，地球自轉軸長期進動造成春分點沿黃道面西移稱為歲差，其進動周期約2.6萬年；歲差變化引起地球表面接受太陽輻射量的季節差異，對南北半球氣候的影響正好相反。20世紀初，南斯拉夫社會主義聯邦共和國學者米蘭柯維奇用地球軌道變化引起的太陽輻射解釋地球上冰蓋的消長。到20世紀70年代，隨著深海鉆探技術的發展，科學家們獲取了深海沉積物中有孔蟲的氧同位素記錄，揭示更新世氣候變化具有10萬、4萬和2萬年的周期，確認了地球軌道參數變化是冰期旋回的起搏器。
宇宙膨脹
宇宙學標準模型中，暗能量充斥整個宇宙，并推動宇宙加速膨脹。目前的觀測宇宙學已基本形成一個廣泛的共識：宇宙正處于膨脹狀態，而且是加速膨脹，如果這種膨脹一直持續下去的話，宇宙中所有天體都會被“撕碎”，最終進入一個“大凍結”（BIG Freeze）狀態。據已知的理論推算，大約10100（古戈爾，googol）年后，宇宙將不再形成新的恒星。
實驗檢驗
天文學檢驗
根據牛頓理論，太陽系中行星的運動軌道應該是一個嚴格的橢圓，且太陽位于橢圓的一個焦點上，然而根據觀測，天文學家發現行星的運動軌跡并不是一個嚴格閉合的橢圓，行星每繞太陽公轉一圈，其橢圓軌道的長軸都會有所轉動，這一現象被稱為行星軌道近日點的進動，進動的觀測值為每一百年,考慮到其他行星對于水星的影響，觀測到的進動值仍比牛頓理論的計算結果高出。而根據廣義相對論對于艾薩克·牛頓引力的修正，其計算結果恰好比牛頓結果高出，與實驗上的觀測結果相當吻合。?
光譜線的引力紅移
廣義相對論認為光線在引力場傳播時會改變頻率，當光線從強引力場傳播到弱引力場時會發生引力紅移，反之，光線從弱引力場傳播至強引力場中時會發生引力藍移現象。在愛因斯坦的年代，太陽與地球之間的引力紅移效應過于微小，很難得到實驗檢驗。1925年，天文學家約翰·庫奇·亞當斯（外文名John Couch Adams）觀測了一顆伴星天狼A，他測得的引力紅移于廣義相對論理論結果基本相符。地球所能產生的最大的引力紅移為，利用空間原子鐘可以以更高的精度測量引力紅移來檢驗廣義相對論，最早于1976年美國開展了GP-A試驗初步測試了引力紅移。
引力波天文學檢驗
2015年9月14日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到了第一例引力波信號驗證了強引力場下的廣義相對論理論，這個信號是由雙黑洞并合過程產生的，這也是地基引力波探測器的首次成功，標志著引力波天文學進入了新時代。
現代研究與應用
宇宙學
在宇宙學中，大爆炸、黑洞等現象離不開廣義相對論。太陽對光線的偏折、水星近日點進動都是廣義相對論的經典例證。在重元素的化學中，當原子核的電荷數很大時，內層電子的速度會接近光速，產生顯著的相對論效應，由此導致“鑭系收縮”（lanthanide contraction）等現象。
對世界各地粒子加速器產生的碰撞產物的檢查為科學家提供了亞原子世界結構和支配它的自然法則的證據。碰撞產物的質量總和可能大大超過單射粒子的質量，對碰撞產物的分析需要狹義相對論。在牛頓力學中，碰撞分析涉及使用質量、動量和能量守恒定律。在相對論力學中，質量不是獨立守恒的，因為它已被納入總相對論能量。我們通過檢查兩個質量相等的彈性碰撞粒子的簡單情況來說明艾薩克·牛頓和相對論處理粒子碰撞之間出現的差異。
天體物理學
基于衛星的測量需要考慮相對論效應，因為每顆衛星都相對于地球上的用戶運動，因此在相對論下處于不同的參考系中。對于北斗和GPS等衛星導航系統，既有廣義相對論的效應，又有狹義相對論的效應。天上的引力比地面的弱，由此導致天上的時間流逝得快一點，這是廣義相對論的效應。同時衛星相對于地面高速運動，由此導致衛星的時間流逝得慢一些，這是狹義相對論的效應。這兩個效應方向相反，具體哪個效應大取決于衛星的高度。衛星導航系統一定要對這兩個相對論效應進行修正，否則定位就會有很大誤差。
技術應用
同理在相對論下處于不同的參考系中，全球定位系統如 GPS、格洛納斯和伽利略等必須考慮所有相對論效應才能精確工作，例如地球引力場的影響，高精度時間測量也是如此。從電子顯微鏡到粒子加速器等儀器，如果忽略相對論考慮，將無法工作忽略相對論因素的影響。
研究意義與影響
狹義相對論是在牛頓力學和詹姆斯·麥克斯韋電磁理論的基礎上創立的一個新理論，它所揭示的關于物質和運動的關系；運動和靜止的關系；物質運動和時空的關系等對整個物理學乃至整個自然科學都有著指導作用。
廣義相對論是關于宏觀的時間、空間和物質運動的基礎理論體系，它比牛頓力學和狹義相對論更深刻和普遍。100多年以來，廣義相對論在天文學、宇宙學、黑洞、時空理論、引力理論等方面取得了重大應用，狹義相對論作為廣義相對論的基礎之一則更是精確而廣泛地應用于物理學的各個領域中，對現代量子理論的發展起到了重要作用。并能夠在天體演化、中子星黑洞等天體的形成、致密雙星并合問題、量子引力、弦律、引力波等物理學最前沿問題中起到重要作用。
相對論改變了理論物理學和天文學，是近代物理學的一大支柱，使對稱性原則成為理論物理的核心指導原則，預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應(相對論效應)，預言了質能方程E=mc2，為核能的利用提供了理論基礎。根據相對論，宇宙學和天體物理學成功預言了中子星、黑洞和引力波等天文現象。此外相對論還是現代宇宙學的理論基礎，它解釋了宇宙大爆炸、黑洞輻射等宇宙現象，為人類揭示了宇宙的起源和演化。
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愛因斯坦的世紀：1905～2005.中國科學院.2024-06-20
廣義相對論受諾貝爾獎冷落背后的戲劇性故事.世界科學.2024-06-20
從“米制”到“米智”—— “米”定義四十周年主題論壇側記.中國質量新聞網.2025-04-23
The True Nature of Time Is it an illusion or a reality?.cantorsparadise.2024-01-03
我~看~不~見!.微信公眾平臺.2024-01-03
112年前的今天，愛因斯坦驅散烏云丨科學史. 中科院之聲.2024-06-20
狹義相對論驗證.中國大百科全書.2024-06-12
地球軌道變化或是氣候突變幕后推手. 中科院之聲.2024-06-20
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14: Relativistic Collisions.phys.2024-01-03