爱因斯坦的相对论
1905年6月，在伯尔尼专利局工作的一位青年科学家发表了一篇题为《论动体的电动力学》的论文。这篇论文由于思想的深邃和逻辑的完美，特别是以全新的观点解决了当时物理学进展中的难题，引起了物理学界的极大重视。这位年仅26岁的青年科学家很快就成为科学革命的一位举世闻名的旗手，物理学界的一颗璀璨夺目的新星，他就是爱因斯坦。
爱因斯坦在专利局干得很好。他作为三级技术专家，虽然年薪只有3500瑞士法郎，却已能维持生活，而且这个工作迫使他作多方面的思考。一旦有了空闲的时间，他就用于物理学的研究，在笔记纸上演算复杂的数学公式。可是一听见上司的脚步声音，他就把纸匆忙地塞进抽屉里。
整整5周的紧张研究，爱因斯坦把经过10年酝酿的见解，形成了论文，提出了非同寻常的狭义相对论。正如美国物理学家佩斯指出：“狭义相对论是经过10年的酝酿才诞生的。然而作者（指爱因斯坦）在悟出这理论最重要、最关键的运动学见解之后，不到五六周的时间就在讨论的过程中实际完成了论文。这件事是从爱因斯坦1922年12月在京都的演说中知道的。”
其实，爱因斯坦在阿劳的那一年（即从1895年10月到1896年早秋），他就想到这样一个问题：“如果一个人以光速追随光波运动，他眼睛看到的会是什么情景呢？”不久，爱因斯坦进入联邦工业大学，他又遇到光、以太和地球运动的问题。这些问题一直萦绕在他的脑海之中，他甚至想制造一种仪器，用来精确地测定地球相对以太的运动。
以后，爱因斯坦在论及他第一次萌发相对论想法时，曾说：“谈论我如何开始产生相对论思想是一件很不容易的事。因为激发我思考的事物是如此之多，在相对论思想发展的不同阶段上，每一种思考所产生的影响又很不相同，……这种想法究竟从哪里开始说不太准确，但是肯定它与运动物体的光学特性有关。光在以太中传播，而地球又在以太中运动，换句话说，以太在相对地球运动。”这就是说，对运动相对性的沉思、研究和探索，导致了爱因斯坦的“智力革命”。
美国著名科学史家科恩认为，科学革命不是一个突发的、短暂的事件，而是有它的发展过程的。他根据4个世纪以来科学发展的重大事件的历史分析，把这个过程区分为4个阶段：智力革命、书面上许诺的革命、纸面上的革命和科学革命。所谓“智力革命”，即“自身革命”。当一位科学家（或一个科学家集团）设计出一种根本解决某个或某一些主要问题的方案，寻找到一种利用信息的新方法，并提出一种能以全新的方式包容现存信息的知识框架（由此导致作出没有人曾料到的预言），引入一套改变现有知识特征的概念或提出一种革命的新理论的时候，这种革命就出现了。总之，革命的第一步总是由一个或多个科学家在所有科学革命初期创立的。狭义相对论的创立也是如此。
爱因斯坦于1921年在伦敦皇家学院的讲话充分表达了这种思想，他说：
“我能够荣幸地在这个曾经产生过理论物理学的许多最重要基本观念的国家首都发表讲话，特别感到高兴。我想到的是牛顿所给我们的物体运动和引力理论，以及法拉第和麦克斯韦借以把物理学放到新基础上的电磁场概念。相对论实在可以说是对麦克斯韦和洛仑兹的伟大构思画了最后的一笔，因为它力图把场物理学扩充到包括引力在内的一切现象。”
这就是说，相对论又产生于对麦克斯韦电磁场理论的推广之中。由于麦克斯韦理论和牛顿力学具有明确不同的特点，在物理学的发展进程中，就很自然地提出了这样的问题：运动的相对性对力学规律是适用的，那么对电磁场规律是否也适用呢？
爱因斯坦根据对麦克斯韦理论和牛顿力学作了深刻的分析之后，敏锐地指出：“麦克斯韦电动力学应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。”这里所说的不对称，就是统一性遭到破坏。爱因斯坦认为这种不对称不像是自然界所固有的，因为他相信自然界具有统一性，于是问题可能出在我们以往认识自然界的概念和理论上。
牛顿说：“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，并且由于它的本性而均匀地，同任何一种外界事物无关地流逝着。”“绝对空间由于它的本性，以及它同外界事物无关，它永远是等同的和不动的。”在牛顿看来，时间和空间是独立于人之外的客观存在，这显然是唯物主义的观点；然而牛顿却把时间和空间绝对化，没有看到时间和空间之间的联系，也没有看到它们与物质的联系，则是一种形而上学的看法。
爱因斯坦经过10年沉思、研究发现，只要把作为经典力学基础的绝对时间和绝对空间的概念加以适当修改，上述提到的不对称就可以消除。爱因斯坦正是在一个最平凡、最简单，也似乎是司空见惯、最不成问题的问题上找到了突破口，这也是爱因斯坦“智力革命”的最可宝贵之处。
实际上，人是生活在地球的表面上，因此很自然地是以地球表面为基准来确定物体的空间位置，这是与地球表面联系在一起的空间。物理学家在研究物体运动时，必须依靠参照系的选择，实际上也是用的具体空间，就是相对于某一物体或物体系的参考空间。因此，并不存在绝对的、抽象的空间，只存在具体的、与物体相联系的空间。显然，与具体的物体相联系的空间，是相对的而不是绝对的。
绝对的时间概念，其特点是独立性与统一性。它的独立性，表现为时间不受任何其他东西的影响；它的统一性，表现为在任何参照系有统一的时间。然而绝对时间概念的这种性质是值得怀疑的。从麦克斯韦电磁场理论的观点出发，因为场是以有限的速度传播的，它就不能提供不同参照系之间有同步的时间。如对于同一个电磁波，不同惯性系测量它的频率是不同的，也就是测量它的振荡周期是不同的。这就是说，对于同一个电磁振荡，在不同的惯性系测得了不同的时间间隔。显然，这是对统一的时间标尺的挑战。如果没有统一的时间，承认各个惯性系有各自的时间，那么时间不受外界影响也就无法成立了，所以时间的独立性也不是绝对的了。
爱因斯坦正是在极为周密地考察时间与空间的关系中发现：“两个事件间，没有空间的绝对关系，也没有时间的绝对关系，但是有空间与时间的绝对关系。”这就是他对时间与空间概念的全新理解。他还发现：“同时相对性”，即两个在空间上分隔开的事件的所谓“同时”，取决于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。这就是说，同时性的概念也变成相对的了，它与物体的运动情况有关。
根据上述思路，爱因斯坦着手建立更为完善的理论。他在《论动体的电动力学》一文中写道：“凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用……我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度c传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”
爱因斯坦在这里提到的两个公设，现在通常称为狭义相对论的两个基本原理。第一个是狭义相对性原理：在所有的惯性系，物理学规律都是相同的；不存在一个优于其他惯性系的绝对惯性系。第二个是光速不变原理：在所有的惯性系，真空中的光速不变，都是常量c。
有了这两个原理，其自然的结果是否定了绝对惯性系的存在，从而也就没有“以太”存在的必要了。以太存在的假说，曾经是19世纪经典物理学所依赖的基本假说之一。迈克耳逊—莫雷实验的零结果明确宣告了寻找以太的失败。当时许多物理学家都不愿看到这个事实，都不愿推翻以太假说。然而，爱因斯坦却与众不同，他大胆地接受了这个事实，明确宣布所谓绝对静止的“以太”的存在是“多余”的，并且把所有的“以太漂移”实验中所显示的光在真空中总是以一确定速度传播的事实提升为一个原理，即光速不变原理，这又是何等了不起。
爱因斯坦发现，为了保证光速是一个恒量，人们必须接受许许多多出乎意料的事情：如随着物体运动速度的增加，物体在运动方向上会变得越来越短，直到在达到光速时，长度变为零为止；与此同时，物体的质量会变得越来越大，在达到光速时，质量会变为无穷大。他还发现，当物体的运动速度越来越大时，在运动物体上时间流逝的速率也会不断减小，而在达到光速时，时间就会完全停止。所有这些，在当时人们的脑海中简直是不可思议的，可是却真正把握了对物理世界崭新的基本认识。
狭义相对论不但引起了时空观的革命，也带来了整个物理学的革命，在20世纪的人类生活中产生了深远的影响。后者最为突出的是关于物体的质量和能量相当性的推论。这是1905年9月在爱因斯坦完成了狭义相对论论文后3个月提出来的。爱因斯坦发现，物体的质量是它所含能量的量度，如果能量E改变了，那么质量m也就相应地改变E/c2，这里的c是光速，即E＝mc2。这就是著名的质能关系式，它代表质量与能量的关系。质能相当性给了我们非常重要的启示，它说明一定的质量就代表一定的能量，质量与能量是相当的，两者之间的关系只是相差一个常数c2的因子。按照质能关系式，一个处于静止状态的物体，因为它有静止质量mo，因而也就有能量Eo＝moc2，这在经典物理学又是难以理解的。尤其令人惊异的是，这样的能量其数值非常巨大。由于光的传播速度是3×108米/秒，静止质量为1克的物体就含有2．5×107千瓦·小时（度）的能量。由此推算，若一年的发电量为5500亿度的话，不过相当于22千克物质所含的能量。
对此，有人一定觉得很奇怪，这么巨大的能量，为什么长期没有被发现呢？对于这个问题，爱因斯坦有一个非常通俗的回答。他说：“答案是够简单的：只要没有能量向外面放出，就不能观察到它。好比一个非常有钱的人，他从来不花费或者付出一分钱，那就没有谁能够说他究竟有多少钱。”
实际情况正是如此。我们对能量的认识，正是在一种形式的能量通过做功、传热等方式转变为其他形式的能量时。由于能量是客观存在，但是只有由一种形式的能量转变为另一种形式的能量时，这种能量才会被发现，也就是说，只有放出其能量才能被观察到。
质能相当性的发现，预言了物质的质量就是能量的一种储藏，爱因斯坦指出，从当时已知的放射性衰变去探索这种巨大的能量。由此使得当时无法解释的放射性元素，特别是镭为什么能够不断释放出如此强大能量的现象，以及太阳能的来源问题，都得到圆满的解释。随着原子物理学和原子核物理学的进展，人们终于发现了原子核的结合能，即通常所说的原子能。今天，原子能的利用已日趋广泛，特别是核电站的建立，有效地开辟了人类对能源需求的新途径，这不能不归功于狭义相对论的巨大功绩。
科学思想的革命还促使人们的观念进一步解放。这就是任何科学理论都不可能一成不变，随着科学实验的发展，科学发现的出现，科学理论必须不断发展，甚至彻底更新。因此，不墨守成规和勇于创新，便成为现代物理学发展中的一个突出特点。
爱因斯坦在建立狭义相对论后不久，就致力于把这理论推向前进，企图把相对性原理从匀速运动（惯性系）推广到加速运动（非惯性系）。狭义相对论只考虑惯性系之间的变换问题，而非惯性系之间的变换问题，就涉及到引力场。
在探索过程中，爱因斯坦认为，引力现象也应该同电磁现象一样，要建立在场的观念上。可是物体在引力场中运动与电荷在电磁场中运动有一个显著的不同，即所有物体在地球表面都以同一加速度自由下落，这是什么原因呢？原来在于惯性质量与引力质量是相等的。
这一事实，早在两百多年前，就被伽利略发现了。匈牙利物理学家厄缶和他的合作者通过著名的扭秤实验，以更高的精确度证明了这一点。一个用弦线悬挂着的质点，在地球表面要受到三个力的作用而达到平衡。这三个力是：地球对它的引力Fg（指向地心）；因地球的自转而产生的惯性离心力Fc（垂直于地球的自转轴）；沿弦线的张力Ft。其中Fg正比于质点的引力质量m引；Fc正比于质点的惯性质量m惯。厄缶在实验中比较了各种不同物质如木、铂、石棉、水等悬挂起来后弦线平衡位置所发生的变化。结果发现毫无变化，表明m引＝m惯。这个实验报告最早发表于1888年，以后在1922年发表的结果中精确度达到5×10－9。引力质量和惯性质量严格相等这一事实，几百年来一直被物理学家们当做一个当然的基本事实，认为里面不存在什么理论问题。但是爱因斯坦却从这个最平常的、司空见惯的事实中，抓住了“一把可以更加深入地了解引力和惯性的钥匙”。他写道：“在引力场中一切物体都具有同一加速度。这条定律也可以表述为惯性质量同引力质量相等的定律。它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解引力和惯性的钥匙。”从而得出了下列重要结果。首先，爱因斯坦注意到把原来奠基于超距作用观念的牛顿引力理论改造为建立在场的观念之上的引力理论，这就有可能找到引力质量和惯性质量之间联系的线索。他给出了如下的关系式：
惯性质量×加速度＝引力质量×引力场强度
由此可见，惯性质量和引力质量的相等性，是与加速度和引力场强度之间的某种等价性密切联系在一起的。
其次，爱因斯坦把这种等价性加以扩充，使它包括更广泛的物理学领域，并且把它提升为理论的前提，即得出了等效原理：引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。对于这个等效原理，爱因斯坦还举了一个升降机的理想实验，作了十分生动形象地说明。设想有一个大的升降机在摩天大楼的顶上，而这个理想的摩天大楼比任何真实的摩天大楼还要高得多。突然，升降机的钢缆断了，于是升降机就毫无拘束地向地面降落。在降落过程中，里面的观察者正在做实验。一个观察者从袋里拿出一块手帕和一只表，然后让它们从手上掉下来。这时在升降机外面的观察者看来，这两个物体都是以同样的加速度降落，因此两物体与地板之间的距离不会改变。对于升降机里面的观察者来说，这两个物体就停在他松手让它们掉下的那个地方。里面的观察者可以不管引力场，因为引力场的源在他的坐标系之外。他发现在升降机之内没有任何力作用于这两个物体，因此它们是静止的，正像它们是在一个惯性坐标系中一样。
再次，从惯性质量和引力质量相等的这一事实出发，爱因斯坦把狭义相对论所考察的作匀速运动的参照系之间的相对性，推广到作任意运动的参照系之间的相对性，提出了时间和空间的性质应当由物质运动决定这一革命性的思想。在这方面的探索过程中，爱因斯坦曾在数学上遇到很大困难，以后在老同学格罗斯曼的帮助下，找到了一套合适的数学工具，这就是采用黎曼的曲面几何来描述具有引力场的时间和空间，写出了正确的引力场方程。
爱因斯坦夫人曾讲述了爱因斯坦的一个故事：
“博士（指爱因斯坦）像平时一样，穿着睡袍下楼用早餐，但他几乎什么也没有碰。我想，出什么事了，所以我问他，什么事使他不安，‘亲爱的’他说，‘我有一种绝妙的想法’。喝完咖啡之后，他走到钢琴那儿开始弹起来，间或停下来，作点笔记。然后，报告说，‘我得到一个奇妙的想法，一个绝妙的想法。’我说：‘那么，看在上帝的份上，告诉我是什么想法吧，别叫我挂虑了。’他说：‘很困难，我得继续把它完成’。
“接着，爱因斯坦继续弹着琴和做笔记，约持续了半小时。然后，他就上楼到他的研究室去了，并且告诉我，不要去打扰他。他呆在那里干了两周，每天我都给他送饭。黄昏时分，他会踱着步子作点锻炼，再回去工作。
“最后，有一天他从研究室走下楼来，脸色苍白。‘就是它’，他一边对着我说，一边疲倦地将两张手稿纸往桌上一放。这，就是他的相对性理论。”
1915年11月，爱因斯坦在普鲁士科学院的接连三次会议上报告了他的广义相对论。第二年3月，他在《物理年鉴》上发表了长达50页的论文《广义相对论基础》。在这篇极富革命性的论文中，爱因斯坦明确指出，广义相对论所要论述的内容是狭义相对论所作的可能想像得到的最为广泛的推广。而其理论基础是等效原理、广义协变性原理（物理定律必须在任意坐标系中都具有相同的形式，即它们必须在任意坐标变换下是协变的）、马赫原理（时间和空间的几何不能先验地给定，而应当由物质及其运动所决定）。
在广义相对论中，时间和空间跟引力场有关，而引力场又是由物质及其运动所产生的。爱因斯坦为了验证这一理论，曾预言会出现如下三个效应：光线为太阳所偏折；水星近日点的进动；光谱线的引力红移。这些预言是颇为惊人的，然而被预言的效应不久就为实验观测所证实，于是广义相对论也得到了验证。
第一个效应是光线为太阳所偏折。从遥远星体射向地球的光线经过太阳附近，由于受太阳引力场的作用要产生偏折。根据牛顿定律计算的结果为0．87弧秒，而爱因斯坦根据广义相对论计算的结果，预言为1．75弧秒，这一预言于1919年被证实。
该年的5月29日，日全食横贯在赤道非洲和巴西之间的大西洋区域上空，为了观测光线的偏折，英国派出两支观测队前往非洲几内亚湾的普林西普岛和巴西的索勃拉耳湾旁，他们都摄到了恒星的照片。11月6日，两个皇家学会——不列颠学会和伦敦天文学会举行联席会议。会上宣读了两个观测队所得资料的最后整理结果是：在索勃拉耳湾为1．98弧秒，在普林西普岛为1．61弧秒，两数字的平均值为1．79弧秒，与爱因斯坦的预言1．75弧秒是如此接近，立即轰动了全世界。
广义相对论已被广大公众所认同，而爱因斯坦则被当做世界伟人来看待了。
第二个效应是水星近日点的进动。就太阳系来说，所有的行星，连地球在内，根据牛顿定律都是沿着椭圆轨道绕太阳运动的。但是，当时的天文学家已发现水星的运动轨道不是完全椭圆形的，而是这个椭圆形本身在“弯曲的”空间中有缓慢的转动，这种现象便称为水星近日点的进动，其角位移每百年为43弧秒。
水星近日点的进动是牛顿引力理论无法解释的，而根据广义相对论就能很好地解释这一现象。其方法是解在引力场作用下的质点运动方程，在一级近似条件下得到与牛顿引力理论相同的结果，在高一级近似的条件下得到与牛顿引力理论的差异，这个高级小量的差异恰好导致其角位移每百年为43弧秒。由于水星距离太阳最近，处在引力场最强的区域，广义相对论的这个效应最大，所以这个差值较大；其他行星距离太阳较远，引力场相对较弱，因此不曾观测到这个效应。
第三个效应是光谱线的引力红移。这个效应所讨论的问题是光在引力场中传播时，频率将会发生怎样的变化。爱因斯坦预言，引力场很强的天体发出的光向红端，即向波长较长的一端移动。其原因在于，质量越大的天体附近，引力场越强；引力场越强的区域，时间的标尺越长，也就是说那里的时钟变慢。因此，从这样的天体发出的光，频率较慢而相应的波长较长。
天文学家在天狼星伴星的观测中，首先验证了引力红移现象。天狼星伴星与白矮星相似，是一颗密度很大的星体，由于它的引力场很强，因而引力红移也较大。实际观测值大凡都与爱因斯坦的预言相接近。
广义相对论虽然在发表几年后就得到上述实验观测的验证，但是在以后的几十年中，能够验证它的实验观测事实却如此之少，再加上它的数学结构过于艰深，于是有人慨叹：广义相对论是理论物理学家的天堂，实验物理学家的地狱，以致一直很少有人问津。
但是，到了20世纪50年代末以后，由于大口径的光学望远镜和射电望远镜等实验技术的进展，以及天体物理学和宇宙学不断取得重大进展，陆续发现了一些新天体，那里存在着很强的引力场，一度受到冷落的广义相对论重新形成了研究的热潮。这样在20世纪60年代，广义相对论又增加了第四个效应，就是雷达回波的时间延迟。从地球上向另外行星发出雷达讯号，再反射回来为地球接收，如果雷达波经过太阳附近，其往返时间比不经过太阳附近的往返时间要长。这也是一个很微小的效应，到20世纪70年代末期，这类测量所得的数据同广义相对论理论值比较，相差约1%。这类实验观测也可以在地球引力场中，通过测量人造卫星的雷达回波的时间延迟来进行。
广义相对论还预言过有引力波。引力是从牛顿时代就为人们所熟悉的，而引力波就不同了。这跟人们很早就知道带电体之间有作用力，但是不等于已经认识到电波的存在一样。直到1978年，由美国科学家泰勒等人对射电脉冲双星进行几年观测结果的分析中，发现它的公转周期变短而定量地证实了引力辐射阻尼的存在，被认为是引力波存在的第一次间接验证，这样就再一次令人信服地证明了广义相对论的正确性。
爱因斯坦先后创立的狭义相对论和广义相对论，一方面越来越为科学界和广大公众所重视，另一方面却遭到一小撮人和排犹分子的歧视。他们搞了一个组织，即所谓“反相对论公司”，专门反对相对论；他们还举行公开演讲，印发文集，在报刊上展开全面攻势，对爱因斯坦进行不能令人容忍的谩骂。1920年8月24日，这一伙人在柏林音乐厅举行演讲，又肆意攻击相对论。爱因斯坦闻讯专门前去参加，作为听众泰然自若地坐在会场里。
事隔两天，8月27日，爱因斯坦即在《柏林日报》发表了题为《我对反相对论公司的答复》的声明。在声明中，爱因斯坦首先指出，就他所知简直没有一位在理论物理学中做出一点有价值的成绩的科学家，会不承认整个相对论是合乎逻辑地建立起来的，并且是符合于那些迄今已判明是无可争辩的事实。他举出最杰出的物理学家诸如洛仑兹、普朗克、索末菲、劳厄、玻恩、拉摩尔、爱丁顿、德比杰、朗之万、勒维·契维塔都坚定地支持这理论，而且他们自己也对它作出了有价值的贡献。
在有国际声望的物理学家中间，直言不讳地反对相对论的，爱因斯坦在声明中说，只能举出勒纳德的名字来。作为一位精通实验物理学的大师，爱因斯坦钦佩勒纳德；但是他在理论物理学中从未干过一点事，而且他反对相对论的意见是如此肤浅，以至到目前为止，爱因斯坦认为没有必要给他详细回答。
由于当时从未有科学家要使用报纸上的篇幅就某个问题作出答复，爱因斯坦的一些朋友从报上看到这篇声明都感到震惊，有的人甚至还写信责备他。例如，爱因斯坦的挚友埃伦菲斯特从莱顿写信给他说：“我的妻子和我都绝对无法相信你自己竟会在《我的答复》这篇东西里写下哪怕最少几个字”。“我们一分钟也不能忘怀，你一定是为一种特别无礼的方式所激怒，我们也忘怀不了，你在那边是生活在一种不正常的道德风气里；尽管如此，但是这个答复还是含有某些完全是非爱因斯坦的反应。我们可以用铅笔把它们一一划出来。如果你真是用你自己的手把它们写下来，那就证明了这些该死的猪猡终于已经成功地损害了你的灵魂，这对我们来说是多么可怕呀！”爱因斯坦于1920年9月10日给埃伦菲斯特的回信中作了这样的解释：
“只要我还想留在柏林，我就不得不这样做，因为在这里每个小孩都从照相上认得我。如果一个人是民主主义者，他就得承认有要求公开发表意见的权利。”
魏兰德等人发动的对相对论和爱因斯坦的攻击，引起了德国一些著名物理学家的愤慨。在柏林音乐厅那个会的第二天，即1920年8月25日，劳厄、能斯特和鲁本斯就联名给柏林各大报纸发出一个声明。《柏林日报》刊载了这个声明，其内容如下：“我们不想在这里来谈论我们对于爱因斯坦产生相对论的那种渊博的，可以引为范例的脑力劳动的意见。惊人的成就已经取得，在将来的研究工作中当然还会进一步证明。此外，我们必须强调指出，爱因斯坦除了研究相对论，他的工作已经保证他在科学史中有一个永久性的地位。在这方面，他不仅对于柏林的科学生活，而且对于整个德国的科学生活的影响大概都不是估计过高的。任何有幸亲近爱因斯坦的人都知道，在尊重别人的文化价值上，在为人的谦逊上，以及在对一切哗众取宠的厌恶上，从来没有人能超过他。”
爱因斯坦作为最伟大的物理学家，是因为他在狭义相对论、广义相对论、光量子论、分子运动论、宇宙学和统一场论等六大领域都作出了杰出的科学贡献，这是其他物理学家无法比拟的。
（1）狭义相对论。1905年6月，爱因斯坦创立的狭义相对论，引发了物理学的一场革命，它变革了传统的时空、质量、动量、能量等基本概念，不仅深刻揭示了作为物质存在形式的时间和空间的统一性，而且深刻揭示了各种物理运动形式的统一性：力学运动和电磁运动的统一性，以及两种运动量度（动量和能量）的统一性，从而极大推动了物理学的发展。
（2）广义相对论。在多数物理学家还不理解狭义相对论的时候，爱因斯坦却继续努力把他的理论向前推进。1907年提出了均匀引力场与均匀加速度的等效原理。以后经过8年艰苦的探索，中间得到了他的老同学格罗斯曼的帮助，应用了黎曼的曲面几何，终于在1915年11月建立了广义相对论。广义相对论进一步深刻揭示了作为时间和空间统一体的四维时空同物质的统一关系，深刻揭示了时间和空间不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，物质之间的引力不过是空间曲率的一种表现。
（3）光量子论。早在1905年3月，爱因斯坦就写了《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》的论文，提出光量子假说，把普朗克的量子概念扩充到辐射在空间的传播上去。爱因斯坦的光量子论揭示了光的量子本性，光不仅仅被看成是一种波动，它同时也是一种粒子，是粒子和波的综合。对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬时的涨落现象，光表现为粒子，从而揭示了微观粒子的波粒二象性。
1916年爱因斯坦发表的论文《关于辐射的量子理论》，是量子论发展第一阶段的理论总结，它从玻尔的原子构造假说出发，用统计力学的方法导出普朗克的辐射公式，提出受激辐射理论。这不仅对20世纪20年代量子力学的创立有重要作用，也为20世纪60年代蓬勃发展起来的激光技术准备了理论基础。
1924年德布罗意的物质波假说提出不久，就得到爱因斯坦的热情支持，而且爱因斯坦立即用来研究单原子理想气体，同印度青年物理学家玻色合作，提出玻色一爱因斯坦统计法。由于受了爱因斯坦这项工作的启发，薛定谔才试图去发展德布罗意理论，并于1926年建立了波动力学。
（4）分子运动论。1905年的4月和5月，爱因斯坦发表了两篇关于分子运动论的论文，试图通过对悬浮粒子运动（即1827年发现的布朗运动）的观测来测定分子的实际大小。4月写的一篇是他向苏黎世大学申请博士学位的论文。他从事这项研究，是为了解决半个多世纪来科学界和哲学界长期争论不休的原子和分子是否存在的问题。3年后，法国物理学家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测，这就以无可辩驳的事实证明了原子和分子的存在。
（5）现代宇宙学。爱因斯坦在建立广义相对论后，就开始有关宇宙学问题的探索。1917年发表题为《根据广义相对论对于宇宙学所作的考查》的论文，提出宇宙空间是有限无界的假说，这是现代宇宙学的开创性文献。后来，由于荷兰天文学家德西特和前苏联大气物理学家弗里德曼的工作，发现宇宙空间可能是在不断膨胀着，预见到各个星系之间存在着相互分离（远退）的运动。这一预见为美国天文学家哈勃于1929年发现河外星系谱线的红移而得到了有力的支持。
（6）统一场论的研究。从20世纪20年代开始直至晚年，爱因斯坦把主要的科学创造精力用于统一场论的研究。企图建立一种包括引力场和电磁场的统一理论，用广义相对论的推广形式来概括所有各种物理运动形式，用场的概念来解释物质结构和量子现象。他认为这是相对论发展的第三阶段。
虽然这一研究探索当时未取得具有物理意义的结果，但近年来正以新的形式显示它有着不可估量的生命力。正如爱因斯坦自己在晚年时所说：“我完成不了这项工作了；它将被遗忘，但是将来会被重新发现。”
事实正是如此，1967年，巴基斯坦物理学家萨拉姆和美国物理学家温伯格各自独立地提出了电弱统一理论。电弱统一理论的成功又进一步促进了强、弱和电磁4种相互作用统一的所谓大统一理论的研究，以及包括引力在内的4种相互作用统一的所谓超统一理论的研究。
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