相对论（英文名：Theory of relativity）是关于时空和 引力 的理论，主要由 阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein）创立，通常包括阿尔伯特·爱因斯坦提出并于1905年和1915年分别发布的两个相互关联的物理理论：狭义相对论和广义相对论。在没有重力的情况下，狭义相对论适用于所有物理现象。广义相对论解释了引力定律及其与自然力的关系。它适用于宇宙学和天体物理领域，包括天文学。
狭义相对论（special relativity），主要是由爱因斯坦于1905年创立的一个应用在惯性参考系下的时空理论，是对牛顿（Newton）时空观的拓展和修正。 阿尔伯特·爱因斯坦 在他1905年的论文《论动体的电动力学》中介绍了其狭义相对论。 广义相对论（General Relativity）是描述物质间 引力 相互作用的物理理论，它不仅是狭义相对论的推广，其对引力的全新描述和牛顿引力理论有本质的不同。
狭义相对论的基本假设是和旧时空观念矛盾的，旧时空观念是从低速力学想象中总结、归纳出来的，集中反映在关于 惯性 系间的 伽利略变换 中。狭义相对论的主要内容包括惯性参考系之间的时空坐标的洛伦兹变换及其物理意义，集中展现相对论的时空观。 实际区别于 艾萨克·牛顿 的绝对时空观，狭义相对论将时间和空间与观测者视为一个不可分割的整体。 在广义相对论中， 引力 作用被表现为一种几何效应，即时空的弯曲，其包含的两大核心思想为等效原理，并以此为基础发展出了爱因斯坦场方程。 实际上除了 广义相对论 ，其他的相对论性的近代物理理论如狭义相对论力学、狭义相对论 量子力学 、狭义相对论量子电 动力学 、狭义相对论性的粒子物理理论等都是四维平直时空中的动力学理论，即其动力学 方程 在洛伦兹变换下保持形式不变。
相对论引入的概念，包括时空、同时性之相对性、 运动学 、重力 时间膨胀 和洛伦兹收缩。 该理论改变了理论物理学和天文学，是近代物理学的一大支柱， 预言 了牛顿 经典物理学 所没有的一些新效应（相对论效应），如 时间膨胀 、横向多普勒频移、长度收缩、质速关系、质能关系等。
20世纪初，相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，它们共同奠定了现代物理学的基础。 相对论还预言了质能方程E=mc²，解释了 基本粒子 及其 基本相互作用 ，为 核能 的利用提供了理论基础，开启了核时代。 相对论使 宇宙 学和 天体物理学 预测到了一些的 天文现象 ，比如 中子星 、黑洞和 引力波 ，为人类揭示了宇宙的起源和演化。 这些预言已经得到了许多高精度实验的证实，这进一步证明了相对论的正确性。
历史背景
牛顿引力理论
1687年，艾萨克•牛顿（Isaac Newton）出版了《自然哲学的数学方法》，对其 万有引力 理论进行了详细的描述。其万有引力定律表示为任何两个质量分别为 、 的质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的作用力，其引力的大小与二者的质量的乘积成正比，并与它们之间的距离成反比，与两个物体的 化学 组成与介质种类无关。牛顿认为存在一个绝对时空，并将惯性系定义于绝对时空中，万有引力定律理论为天文学家预测 行星 的运动提供了精确的方法。即便万有引力定律在弱引力场里得到了非常重要的应用，但它仍存在着严重的问题，如 水星 的轨道 进动 量与牛顿理论预测不一致。
以太假说
寻找 以太 ，以及确定地球相对于以太的运动成为19世纪末物理学的一个重要课题。起初有人为了解释实验事实，引入了一种假想物质“以太”，并赋予它许多特殊的性质。例如：以太不具有质量；不仅在真空中存在，而且无处不在，并且可以渗透到一切物质的内部，用来传播 电磁波 ；同时对宏观物体的运动又没有任何拖曳。由于当时以太理论在人们的头脑中根深蒂固，所以大多数物理学家认为以太就是那个特殊的绝对 惯性 系。
伽利略变换与电磁学
1851年，菲索（Fizeau）实验测量了运动介质中的 光速 ，其结果与 相对论 加法的 共线 速度一致。
1865年， 詹姆斯·麦克斯韦 （ 麦克斯威（上海）商贸有限公司 ）总结了前人的成果，提出了 位移电流 的假说，建立了系统的电磁理论，即电磁场的基本规律——麦克斯韦方程组。该理论中存在一个普适 常数 ：真空中的 光速 ，但是却没指出这个速度是相对于哪个参考系的。从牛顿的绝对时空观出发，光速应当是相对于某一特殊参考系的速度，因此麦克斯韦方程组只能对该特殊参考系成立。有些学者认为，存在一种绝对静止的光的传播媒介—— 以太 ，光速正是相对于以太参考系的速度。为了证明以太的存在，物理学家们设计了多个精密实验来进行研究。然而，各个实验所得结果却相互矛盾，这迫使人们不得不重新审视 艾萨克·牛顿 的绝对时空观。
按照 经典力学 的概念，光沿任意方向的速度只有在某个特定的惯性参考系（ 以太 系）中才等于，按照 伽利略·伽利莱 速度变换法则，在相对于以太以速度运动的参考系中光沿各个方向的速度不相同，这样在 地球 上如果能够精确测定各个方向 光速 的差异，就可以确定地球相对于以太的运动。
迈克耳孙－莫雷实验
1881年，迈克尔逊-莫雷实验进一步支持了无法实现绝对参考速度的假设。这里应该指出的是，与许多替代性说法相反，它很少提到 光速 相对于光源和观察者速度的不变性，因为光源和观察者在任何时候都以相同的速度一起旅行。
阿尔伯特·迈克尔逊 （A.A. Michelson）发明了一种灵敏的仪器——迈克耳孙 干涉仪 ，并于1881年首次用它做了观测实验，得出了否定的结果（即观察不到 地球 相对于 以太 的运动）。以后，迈克耳孙与莫雷（E.W. Morley）合作改进了仪器，提高了灵敏度。 目的是测出地球绕日运行穿过以太的速度——也就是“以太漂移”的速度，而实验结果支持了 光速 不变的假设。
1887年，艾伯特‧迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华‧莫雷（Edward Morley）在 美国 俄亥俄州 克利夫兰 所做的实验中，他们的的实验仪器是一个巨大的石箱，里面有许多镜子及交叉的光线，可以精确地测出 光速 的变化。据此，当 地球 在太空中快速运动时， 阿尔伯特·迈克尔逊 和 达雷尔·莫雷 预测光束应该会改变，可是他们却无法测出光束任何的变化。 阿尔伯特·爱因斯坦 是否留意到这个特别的实验 一直为大家所争论，但是他对时间与空间的分析给这个结果提供了一个解释。在 阿尔伯特·迈克尔逊 和 莫雷 所测得的结果出现后，爱因斯坦决定在他的 狭义相对论 中完全摒弃 以太 的观念，而从两个基本假设着手。
马赫原理
1883年， 恩斯特·马赫 （Ernst Mach）从哲学思辨的角度对牛顿的“水桶实验”解释进行评判，马赫认为不存在 绝对时空 ，所有的运动都是相对的，他认为 惯性力 起源于受力物体相对于 宇宙 中遥远星系的加速运动，换言之，物体的惯性是宇宙中远场物质对受惯性力物体的 引力 作用的总和。马赫原理突破了牛顿的绝对时空观，并试图解释惯性、惯性力的来源，同时在马赫的思路之下，惯性力与 万有引力 十分类似，都起源于物质之间的相互作用。
阿尔伯特·爱因斯坦 创立广义相对论受到了马赫思想的启发。他猜测惯性力与万有引力之间存在更深刻的内在联系，所以马赫原理在历史上也具有重要的地位。
引力质量与质量
在 牛顿 力学中质量有两种定义。 1890年到1908年间， 匈牙利 物理学家 厄缶 （L.von）涉及了一系列实验以验证引力质量与惯性质量 相等 ，他的实验结果表明引力质量以 的精度与惯性质量相等。引力质量与惯性质量的等价性使 阿尔伯特·爱因斯坦 产生了对 惯性力 与引力之间的内在联系的猜测。
二十世纪后的研究与发现
亨利·庞加莱 发表于1898年的《时间的测量》，1900年的《洛伦兹理论和作用与反作用力原理》，1902年的《 科学与假设 》，1904年的《数学物理的现状与未来》等四篇文章和书籍，不仅深刻地影响了同时代学者的思维方式，而且一百多年来也始终是普通知识分子了解和认识科学及 科学哲学 的经典文献。
19世纪末， 亨德里克·洛伦兹 的工作奠定了 狭义相对论 的基础，其后庞加莱与洛伦兹的互动和相互启发，直接催生了狭义相对论的诞生。
1902年， 亨利·庞加莱 明确指出，洛伦兹的理论意味了同时性的相对性。
1904年，洛伦兹发现了我们今天以他名字命名的时空变换。
1905年，庞加莱确立了狭义相对论的赝欧几何结构。事实上，早在1881年庞加莱就发现了2+1维赝欧几何的 数学结构 。1891年他又意识到，这是独立于 欧几里得 、 尼古拉·罗巴切夫斯基 和 黎曼几何 的第四种 几何学 。因为 赫尔曼·闵可夫斯基 在 狭义相对论 上的最早工作是在1907年11月 哥廷根市 数学学会上的报告，所以四维时空所构成的空间，在任何意义上都应该被称为 亨利·庞加莱 空间，而不是闵可夫斯基空间。
狭义相对论的提出
1905年， 阿尔伯特·爱因斯坦 在其完成的论文《论动体的电 动力学 》中提出了狭义相对论 他发表于1905年的《论动体的电 动力学 》和《物体的惯性同它所含的能量有关吗》两篇经典论文。事实上，爱因斯坦直到1912年才真正理解庞加莱四维时空的赝欧几何结构，这成为他建立 广义相对论 的一个重要里程碑。
广义相对论的形成
1907年， 阿尔伯特·爱因斯坦 的数学老师 赫尔曼·闵可夫斯基 将爱因斯坦发表的 狭义相对论 整理成立4维时空的形式，采用四维的语言来重新描述了 狭义相对论 ，在发展广义相对论时，他了解到了 伯恩哈德·黎曼 等人的数学成果，并在老友格罗斯曼的帮助下系统地钻研和学习了 黎曼几何 的基本知识，并利用黎曼几何的语言建立起了广义相对论，实际上，广义相对论使用的几何本质上是一种伪黎曼几何。
广义相对论中， 阿尔伯特·爱因斯坦 将狭义相对论与另一条观察相结合： 引力 对一个具有质量的物体的影响与加速度对该物体的影响是无法区别的。在十年的深思熟虑后，爱因斯坦得出了结论：引力是弯曲时空的产物。 太阳 让 地球 环绕轨道周转，靠的不是对地球施加物理上的力，而是因为太阳的质量扭曲了周围的空间，从而迫使地球那样子运动。照物理学家 约翰·惠勒 的话来说，就是“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。随着 天文现象 的发现，如 脉冲星 和黑洞，该理论解释了它们的属性，并对它们的测量进一步证实了该理论。
阿尔伯特·爱因斯坦 在1907年至1915年间发展了 广义相对论 ，1915年后也得到许多其他人的贡献。广义相对论的最终形式于1916年发布。
诺贝尔物理学奖 的五人委员会从始至终都由坚定信奉实验主义信条的 瑞典 物理学家主导，他们认为，复杂的理论和数学在物理学的进步中仅仅扮演了微不足道的角色。在1920年提交给科学院的常规报告中，委员会根据委员会成员斯万特 · 阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）的特别报告对 阿尔伯特·爱因斯坦 的成就进行了驳斥，认为他基于相对论的预测并未得到足够的证实，这些预测包括：经过 太阳 附近的星光偏折、 水星 轨道的不规则性，以及太阳光谱中的红移现象。
1921年，爱因斯坦在物理学界的地位得到了巩固。在这一过程中，他从世界范围内的诺贝尔奖提名者那里获得了相对广泛的公开支持。
1939年，理查德·托尔曼（R. C. Tolman）、 罗伯特·奥本海默 （J. R. Oppenheimer）和沃尔科夫（G. M. Volkoff）三人在 广义相对论 的框架下计算了基于理想中子气简并压和 引力 的平衡建立了第一个定量的 中子星 模型，即TOV 方程 ，并得到了中子星内部的物质分布状况以及他的质量与半径。
由于广义相对论中的球对称真空解即 史瓦西黑洞 解中存在 奇点 ，1964年， 英国 物理学家 罗杰·彭洛斯 （Roger Penrose）开始思考奇点的问题，他抛弃了严格球对称的假设并发明了新的数学方法，利用 拓扑学 的知识证明了在广义相对论框架里，黑洞内部一定存在奇点。这一黑洞研究结果首次令人信服地证明了黑洞的存在是 广义相对论 的必然结果。
根据广义相对论，两个 天体 相互绕转时会产生 引力 辐射，辐射的强度高度依赖于系统的致密性，因此 双中子星 系统、 中子星 黑洞 双星 系统、 双黑洞 系统都是理想的 引力波 源。2015年9月14日，LIGO探测到的第一例引力波事件便是双黑洞并合事件。
2017年8月17日，LIGO与Virgo首次探测到了来自于双中子星并合事件GW170817的引力辐射，同时天文学家们还观测到了对应的短时标伽马射线暴与 千新星 辐射，开启了多信使天文学研究的新时代。接着在2020年1月5日，LIGO探测到了首例中子星-黑洞并合事件GW200105。自此，LIGO引力波探测器探测到了三类致密 双星 系统并合事件。
狭义相对论
狭义相对论仅适用于相对惯性参考系运动的物体，即彼此之间保持匀速运动的状态，以至于纯粹通过机械实验无法区分彼此。从光（以及所有其他 电磁辐射 ）的行为开始，狭义相对论得出的结论与日常经验相悖，但经过实验证实，特别是观察高速运动的 次原子粒子 或测量以不同速度运动的时钟之间的微小变化。狭义相对论揭示了 光速 是任何物质对象都可以接近但无法达到的极限。它是质能方程E = mc²的起源，表达了质量和能量是同一物理实体，可以相互转化。
基本原理
狭义相对论 以文中提出的两条基本假设为出发点，这两条假设也称为狭义相对论的基本原理，分别是 相对性原理 和 光速不变原理 。
相关预测
时间膨胀在 狭义相对论 中，时钟的“减速”是由相对于该时钟相对运动的观察者确定的。在狭义相对论中， 惯性 （即非加速）运动的观察者具有明确定义的方法来确定哪些事件与给定事件同时发生。然而，相对于第一个惯性观察者处于相对运动状态的第二个惯性观察者将与第一个观察者不同意哪些事件与该给定事件同时发生。
在狭义相对论中， 光速不变原理 是两个基本原理之一，同时性的相对性、时间膨胀效应和长度收缩效应都是最基本的概念。 当相对于另一参照系中的观察者以接近 光速 的速度移动时，就会发生 时间膨胀 。在你的参照系中测量的时间称为固有时间。当你测量他人的时间时，你会发现你的参照系正在经历膨胀的时间。
时间不是一个绝对的概念——它是相对的。并不存在一个滴答作响的时钟为全宇宙报时。把时空结构想象成一个网格，每个网格的四角都有一个时钟。如果同时启动所有这些时钟，会发现尽管是在同一时间启动，但每个时钟的滴答声都不同步。
时钟滴答的速度取决于观察者之间不断的相对运动。 宇宙 中各处的时间流速并不相同。它还取决于观察者之间的距离。观察者之间的距离越远，时间差就越明显。简单地说，如果宇航员在太空中旅行的时间不多，时间对宇航员来说就会流逝得更快。但如果宇航员在空间 中国移动通信集团 得多，时间似乎就会变慢。人类生活在一个由一维时间和 三维空间 组成的四维宇宙中。空间和时间并不是独立的，而是相互关联的。时空是一个保持不变的量，维持着 光速 保持不变。
在不同的 惯性 系中，两个观察者之间时间膨胀的相互性导致了所谓的双胞胎 悖论 ，Langevin在1911年以现在的形式阐述了这种悖论。 众所周知的 双生子佯谬 就源于这个问题。想想看，有一对双胞胎兄弟，年龄相同。现在，把其中一个哥哥送上一艘速度接近光速的飞船。根据飞船上的时钟，他将在1个月后返回 地球 。从弟弟的角度来看，处于静止状态，送走的双胞胎哥哥则在飞船上度过了10年。然而，从双胞胎哥哥的角度来看，弟弟在向后移动，而他的飞船处于静止状态。当哥哥回来时，弟弟是更年长的那一位，这就产生了谁更老的 悖论 。
解决这个悖论的方法很简单。当他们之间存在恒定的相对速度时，不可能确定谁处于静止谁处于运动状态。但是，如果你的双胞胎兄弟想返回地球，他就不得不让飞船减速并掉头。此时，双胞胎的参照系不再是 惯性 参照系。这样就可以认为双胞胎兄弟在运动，其时间会膨胀，并使其成为更年长的那个。
另一方面，如果双胞胎兄弟选择不掉头，那么两人都处在惯性参照系中。相对于对方都处于静止状态，永远不会相遇。在这种情况下，就不存在 悖论 了。 时间膨胀 的确是一种物理现象，只不过它取决于参照系。
长度收缩
“尺缩效应”，即动尺缩短：一把运动的尺子会比在静止时缩短，虽然它在自己看来自己并没有缩短。这样的效应是由于参考系之间的 洛伦兹变换 带来的，而洛伦兹变换的出发点之一也正是 光速不变原理 。
“长度收缩”是相对论的重要结论，是指， “静止长度”为L的物体，在相对其运动速度为v的观察者看来，观察到的“运动长度”l要比其静止长度L短，两者关系为： 。可总结为杆从静止沿长度方向加速，原静止系观察者观测该杆运动长度恒等于原长度；从与运动杆相对静止的 惯性 系观测，杆的静止长度变长。这种变化与加速度大小无关，由杆的运动速度决定。
速度的 洛伦兹变换
一般地认为，在低速条件v远小于c，在 牛顿 时空中， 伽利略·伽利莱 变换没有给出对速度的限制，因此运动速度没有上限若低速可理解为 光速 为无穷大假设下的有限速度，则牛顿时空可考虑为相对论时空在这个极限下的结果。在低速情况下，一般可认为洛伦兹变换近似化为伽利略变换。其实不然，伽利略变换丢掉了反映时空结构性质的重要信息，只能说伽利略变换近似适用于低速情况。作为反映物理时空性质的变换，伽利略变换是经验性的。只有对伽利略变换进行适当修改，才可以作为低速条件下 洛伦兹变换 的近似形式。
相对论质量
即同一个物理，运动时的质量比静止时的质量大（ ，m 0 为静止时的质量，m为运动时的质量，v为物理的运动速度），之所以物体的运动速度不能超过 光速 ，原因就在此（当v大于c时，分母开根号是个 虚数 ，没有物理意义）。 阿尔伯特·爱因斯坦 在《论动体的电动力学》一文的最后，推导出了 电子 质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速c时动能变为无穷大的结果 预言 电子速度不可能大于光速。
质能 方程
力学定律在 亨德里克·洛伦兹 变化下需要保持形式不变，为此 牛顿第二运动定律 应当改为： 式中 为物体的体量，其中u是物体的速度， 惯性 质量m是物体速度的函数，在 狭义相对论 力学中，物体的 惯性 质量分为静质量和相对论质量两者的关系由质速关系给出。
类似地，物体的能量分为固有能量E 0 和相对论能量（总能量）E，动能K是总能与固有能量之差： 。 此时物质的惯性质量和能量之间的关系式简称质能关系，即：
实验检验
狭义相对论实验检验
狭义相对论的理论主要通过实验来验证，实验大体上分为以下六大大类： 相对性原理 的实验检验、 光速不变原理 的实验检验。 时间膨胀 实验、缓慢运动介质质的电磁现象实验、 相对论 力学实验、 光子 静止质量上限的实验。关于相对性原理的验证，电动力学和光学已有很多例子，特别是运动物体的 电磁感应 现象，这里着重说明其余五大类的实验验证。
光速不变原理的实验检验
首先，同 光速 不变原理有关的大量实验已经证明，真空中光速同光源的运动速度与 惯性 运动状态无关。定量的测量表明，真空中平均回路 光速 c是一个 常数 ，约为每秒30万千米 (c的精确测量值见基本物理常数)。
这类实验中，最著名的是迈克耳孙莫雷实验。这个实验是在 相对论 出现之前很久的1881年首先由A.A. 阿尔伯特·迈克尔逊 完成的。
1887年迈克耳孙和E.莫雷又用 干涉仪 以更高的精度重新做了观测。这个实验的目的是测量 地球 相对于 以太 的运动速度。但实验结果同以太论的 预言 相矛盾。 狭义相对论 建立之后，这个实验就被看成是 光速 不变原理和狭义 相对性原理 以及否定以太论的重要实验基础。还要说明一点，现有的实验(包括迈克耳孙莫重富实验)并没有证明 光速 是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性，在没有其他方法确定这种同时性之前，光速是否同方向无关是无法用实验判断的。
多普勒频移观测验证
多普勒频移的观测精度已达到0.5%，对 介子 寿命的观测精度约达0.4%，用 原子钟 做的实验精度较低约10%，这些实验的结果都同 相对论 的 预言 符合。
时间膨胀 实验检验
在原子钟环球航行的实验中，虽然飞机速度远小于 光速 ，但由于 测量精度 很高，仍然观测到了时间膨胀的相对论效应。
运动介质质的电磁现象实验检验
观测运动介质对 光速 影响的实验主要是菲索类型的实验。这个实验最初是 法国 科学家菲索在1851年完成的，证明了运动介质中的光速同静止介质中的光速不同，而且其差异和 阿尔伯特·爱因斯坦 速度相加公式的 预言 相符。通常把这种现象称为"菲索效应"。这类实验中，运动介质的运动方向包括了同光线方向垂直或成 布儒斯特角 等各种情况，其结果也都同狭义 相对论 速度相加公式的 预言 相符。
相对论力学实验检验
包括质速关系（ 惯性 质量随物体运动速度的变化）和质能关系（即E=mc 2 关系）。质速关系是用 电子 和 质子 做的，事实上各种高能质子 加速器 和电子加速器的设计建造都验证了质速关系。质能关系主要是通过 核反应 来进行检验，精度达到了百万分之三十五。荷电粒子的电磁偏转实验、 回旋加速器 的运转、高速粒子飞行时间的测量、 原子光谱 精细结构 分裂的解释等都为质速关系提供了证据。 核能 发电、 原子弹 和 氢弹 的实现都以质能关系为理论基础。
光子 静止质量上限的实验检验
有关光子静止质量的实验都没有观察到光子有静质量，因此只给出了光子静质量的上限。对 库仑定律 的检验给出的上限是1.6×10 -47 克，根据 旋臂 磁场 范围对光子静质量上限做的估计约为10 -59 克。
除了上述六类主要的实验外，还有其他形式的实验。所有这些实验都没有观察到同 狭义相对论 有什么矛盾。此外，狭义相对论在相对论性 量子力学 、 量子场论 、 粒子物理学 、 天文学 、 天体物理学 、相对论性 热力学 和相对论性 统计力学 等领域中的成功应用，也都为它的正确性提供了丰富的证据。
广义相对论
广义相对论是描述物质间 引力 相互作用的物理理论。它以 狭义相对论 为基础，采用 黎曼几何 作为数学语言，利用几何语言来描述时空，并以 等效原理 为基本原理假设。广义相对论的核心理论内容为爱因斯坦率先得到的基本方程——爱因斯坦场 方程 ，该方程描述了物质与时空之间如何相互作用。
广义相对论中的“相对”不仅涉及不同惯性参考系之间的相对性，还涉及了引力场中的时空弯曲。在广义相对论框架下，物质的存在会引发周围时空的弯曲，物体的运动轨迹则由这种弯曲的时空几何所决定。这一理论革新了人类对引力本质的认知——引力不再被视为超距作用，而是时空结构本身的几何特性体现。通过生活中的常见类比可辅助理解这一机制：将平直时空类比为一张紧绷的床单，当在床单中央放置一个代表大质量天体（如地球）的篮球时，床单会因篮球质量产生凹陷（对应时空被质量弯曲的现象）；此时若在床单上放置一颗玻璃球（模拟其他物体），玻璃球会沿凹陷向篮球方向滚动。这种看似“被吸引”的运动本质上是弯曲时空对物体运动路径的引导结果。
基本原理
基本原理分为弱等效原理和强等效原理。
弱 等效原理 ：在无穷小的时空范围内无法用任何力学实验来区分引力场和 惯性 场。弱等效原理与“引力质量与惯性质量 相等 ”是等价的，二者可以互相推出，由于 有很好的实验基础，因此弱等效原理有着很强的实验支撑。 2022年9月，蔚蓝海岸天文台与MICROCROPE对弱 等效原理 的验证精度达到了 。
强等效原理：在无穷小的时空范围内无法用任何物理实验来区分 引力 场 与惯性场。将弱等效原理的力学实验拓展至任何物理实验， 广义相对论 是在强等效原理的基础之上建立的。
等效原理 揭示了在无穷小时空范围上 引力 与 惯性力 的潜在联系。我们可以将等效原理表示为在任意引力场中，在每一个时空点可以选取一个局部惯性系，使在引力场中该时空点的无穷小 邻域 内， 自然 规律的形式与没有引力场时的 狭义相对论 的表述形式相同。
电梯实验
为了说明 等效原理 ， 阿尔伯特·爱因斯坦 设计了电梯 思想实验 ，一个人处在一个密闭的电梯中。他的手上拿着一个苹果，并站在一个秤上。当电梯处于 地球 表面时，秤会显示他的重量，当他松开手， 苹果 就会 自由落体 坠落， 重力加速度 为a（如图1左所示）。如果电梯不在地球表面，而是在远离任何 引力 场 的太空中，但由于电梯底部安装了动力装置，使电梯以一定的加速度a向上方运动，这时他也能感受到自身的重量且放下苹果后，他依旧会看到苹果会向下自由落体（如图1右所示）。他对于两种情况下的感知是相同的，并无法分辨出究竟是 引力 还是 惯性力 作用于自身。因此 阿尔伯特·爱因斯坦 认为局部上引力与 惯性 力是等价的。
但是当电梯较大以至于电梯中不同区域的引力场有所差异，引力场中的人若在处处放置一个重力仪，便会发现引力的 力线 并不平行，而在无 引力场 中做加速运动的人测得的力线是平行的，由此可以将引力与惯性力区分。这也说明了 等效原理 仅在足够小的区域内是成立的。
相关预测
黑洞与 引力波
广义相对论 预言 了许多现象，如黑洞、引力波等。黑洞是时空中的某些区域发生极度扭曲，以至于连光都无法逸出的 天体 。而引力波则是引力场中的扰动，它像水波一样在时空中传播。
广义相对论早在1915年就指出“ 引力场 越强，时间就越慢”，但直到1976年才有了第一次精确的实验验证：当时科学家用火箭将 原子钟 送到1万公里的高空，发现它比 海平面 时钟大约每73年快一秒。
2022年，中国科学家 叶军 的科研团队在《 自然 》杂志发表文章，通过团队开发的世界上最精确的原子钟，得出在一毫米高度差上，时间相差大约一千亿亿分之一，该研究也是迄今为止在最小尺度上验证 广义相对论 的实验。
引力透镜效应
引力 透镜效应指光线穿过大质量物体时周围时空会产生弯曲，使人们可以看到处于其背后的 天体 。1919年5月日全食时，科学家观测到 太阳 附近的 恒星 的轻微的错位，首次发现了 引力 透镜效应。1937年， 瑞士 天文学 家扎维奇（外文名Fritz Zwicky）提出将整个 星系团 看做一个 引力 透镜 ，预测了星系团引力透镜的存在。42年后，天文学家沃尔什（外文名D. Walsh）、卡斯维尔（外文名R. F. Carswell）和威曼观测到了两个相同的 类星体 ，而它原来是两个独立图像的一个类星体，首个 河外星系 引力透镜被发现了。
光线在 引力场 存在下发生偏折
根据 广义相对论 ，光线在引力场中会产生偏折现象，广义相对论中 预言 当光线经过 太阳 附近时，应向 太阳 偏折 。但这个偏折角度非常小，很难得到观测。1919年，利用日全食， 英国 天文学 家 亚瑟·埃丁顿 领导两只远征观测队在 西非 和巴西进行了测量，测得的偏转角在 ，与 阿尔伯特·爱因斯坦 的预言完全一致。
1964年， 露西·夏皮罗 （外文名Irwin Shapiro）提出用雷达回波 延迟实验 检验广义相对论的建议。从 地球 向某一 行星 发射一束雷达，雷达到达行星表面后会反射回地球，由此可以测出来回所需的时间，当光线在 太阳 附近传播时，由于太阳附近时空的弯曲，雷达经由太阳附近往返所需的时间会相较远离太阳附近传播的来回时间更长，即出现延迟效应。夏皮罗小组对 水星 、 金星 、 火星 进行了实验测试， 实验数据 与 广义相对论 的理论计算结果不确定度在1%左右。
受 太阳 和月亮 引力 影响，地球自转轴长期 进动 造成 春分点 沿 黄道面 西移称为岁差，其 进动 周期约2.6万年；岁差变化引起 地球 表面接受太阳辐射量的季节差异，对南 北半球 气候的影响正好相反。20世纪初， 南斯拉夫社会主义联邦共和国 学者米兰柯维奇用 地球轨道 变化引起的 太阳辐射 解释地球上 冰盖 的消长。到20世纪70年代，随着深海 钻探 技术的发展，科学家们获取了深海 沉积物 中有孔虫的氧同位素记录，揭示 更新世 气候变化具有10万、4万和2万年的周期，确认了地球轨道参数变化是冰期旋回的起搏器。
宇宙 膨胀
宇宙学标准模型中， 暗能量 充斥整个宇宙，并推动 宇宙加速膨胀 。目前的观测宇宙学已基本形成一个广泛的共识：宇宙正处于膨胀状态，而且是加速膨胀，如果这种膨胀一直持续下去的话，宇宙中所有 天体 都会被“撕碎”，最终进入一个 “ 大冻结 ” （BIG Freeze）状态。据已知的理论推算，大约 1 0 100 （古戈尔，googol）年后，宇宙将不再形成新的 恒星 。
实验检验
天文学检验
根据 牛顿 理论， 太阳 系中 行星 的运动轨道应该是一个严格的椭圆，且太阳位于椭圆的一个焦点上，然而根据观测，天文学家发现行星的运动轨迹并不是一个严格闭合的椭圆，行星每绕 太阳 公转 一圈，其 椭圆轨道 的长轴都会有所转动，这一现象被称为行星轨道近日点的 进动 ， 进动 的观测值为每一百年 ,考虑到其他行星对于 水星 的影响，观测到的进动值仍比牛顿理论的计算结果高出 。而根据 广义相对论 对于 艾萨克·牛顿 引力 的修正，其计算结果恰好比牛顿结果高出 ，与实验上的观测结果相当吻合。
光谱线的引力 红移
广义相对论认为光线在 引力场 传播时会改变频率，当光线从强引力场传播到弱引力场时会发生引力红移，反之，光线从弱引力场传播至强 引力场 中时会发生引力 蓝移 现象。在爱因斯坦的年代， 太阳 与 地球 之间的引力红移效应过于微小，很难得到实验检验。1925年， 天文学 家 约翰·库奇·亚当斯 （外文名John Couch Adams）观测了一颗 伴星 天狼A，他测得的引力红移于 广义相对论 理论结果基本相符。 地球所能产生的最大的引力红移为 ，利用空间 原子钟 可以以更高的精度测量引力红移来检验 广义相对论 ，最早于1976年 美国 开展了GP-A试验初步测试了引力红移。
引力波天文学检验
2015年9月14日， 激光干涉引力波天文台 （LIGO）探测到了第一例引力波信号验证了强 引力场 下的广义相对论理论，这个信号是由 双黑洞 并合过程产生的，这也是地基 引力 波 探测器 的首次成功，标志着 引力 波 天文学 进入了新时代。
现代研究与应用
宇宙学
在宇宙学中，大爆炸、黑洞等现象离不开 广义相对论 。 太阳 对光线的偏折、 水星 近日点 进动 都是 广义相对论 的经典例证。 在重元素的 化学 中，当 原子核 的电荷数很大时，内层 电子 的速度会接近 光速 ，产生显著的相对论效应，由此导致 “ 镧系收缩 ” （lanthanide contraction）等现象。
对世界各地 粒子加速器 产生的碰撞产物的检查为科学家提供了亚 原子 世界结构和支配它的自然法则的证据。碰撞产物的质量总和可能大大超过 单射 粒子的质量，对碰撞产物的分析需要狭义 相对论 。 在牛顿力学中，碰撞分析涉及使用质量、 动量 和 能量守恒定律 。在相对论力学中，质量不是独立守恒的，因为它已被纳入总相对论能量。我们通过检查两个质量 相等 的 弹性碰撞 粒子的简单情况来说明 艾萨克·牛顿 和相对论处理粒子碰撞之间出现的差异。
天体物理学
基于 卫星 的测量需要考虑相对论效应，因为每颗卫星都相对于地球上的用户运动，因此在相对论下处于不同的参考系中。 对于北斗和GPS等卫星导航系统，既有 广义相对论 的效应，又有 狭义相对论 的效应。天上的 引力 比地面的弱，由此导致天上的时间流逝得快一点，这是广义相对论的效应。同时卫星相对于地面高速运动，由此导致卫星的时间流逝得慢一些，这是 狭义相对论 的效应。这两个效应方向相反，具体哪个效应大取决于卫星的高度。卫星导航系统一定要对这两个相对论效应进行修正，否则定位就会有很大误差。
技术应用
同理在相对论下处于不同的参考系中，全球定位系统如 GPS、格洛纳斯和伽利略等必须考虑所有相对论效应才能精确工作，例如 地球 引力 场的影响，高精度时间测量也是如此。 从电子显微镜到粒子加速器等仪器，如果忽略相对论考虑，将无法工作忽略相对论因素的影响。
研究意义与影响
狭义相对论 是在牛顿力学和 詹姆斯·麦克斯韦 电磁理论的基础上创立的一个新理论，它所揭示的关于物质和运动的关系；运动和静止的关系；物质运动和时空的关系等对整个物理学乃至整个 自然科学 都有着指导作用。
广义相对论 是关于宏观的时间、空间和物质运动的基础理论体系，它比牛顿力学和 狭义相对论 更深刻和普遍。100多年以来，广义相对论在天文学、宇宙学、黑洞、时空理论、 引力 理论等方面取得了重大应用，狭义相对论作为广义相对论的基础之一则更是精确而广泛地应用于物理学的各个领域中，对现代量子理论的发展起到了重要作用。并能够在 天体 演化、 中子星 黑洞等天体的形成、致密 双星 并合问题、 量子引力 、 弦律 、 引力波 等物理学最前沿问题中起到重要作用。
相对论改变了理论物理学和天文学，是近代物理学的一大支柱，使对称性原则成为理论物理的核心指导原则， 预言 了牛顿 经典物理学 所没有的一些新效应(相对论效应)， 预言了质能方程E=mc²，为 核能 的利用提供了理论基础。 根据相对论，宇宙学和 天体物理学 成功预言了中子星、黑洞和引力波等 天文现象 。 此外相对论还是现代 宇宙 学的理论基础，它解释了宇宙大爆炸、黑洞辐射等宇宙现象，为人类揭示了宇宙的起源和演化。