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모든 운동은 관찰자의 위치와 움직임에 대해 상대적이다. 정지해 있는 사람이 방을 가로질러 걷고 있는 사람을 보면, 시속 5km의 속도로 움직이는 것으로 보일 것이다. 하지만 사실은 두 사람 모두 거대한 공(지구) 위에서 초속 30km의 속도로 회전하고 있는 것인데, 걸어가고 있는 사람만 움직이는 것처럼 보이는 것이다. 만약 다른 행성에서 이들을 바라본다면(물론 망원경이 좋아야 하겠지만), 두 사람이 회전운동을 하는 것도 보일 것이다(갈릴레오는 이 개념을 움직이는 배 위에 있는 사람을 육지에 있는 사람이 바라보는 경우를 예로 들어 설명했다). 그러므로 움직임이라는 것은 어떤 기준에 대해서 판단하느냐에 따라 결정되는 문제이다. 관측자가 없거나 움직임을 비교할 대상이 없다면 움직인다는 것을 정의할 수 없다. 기준은 두 사람이 있는 방일 수도 있고, 배 위에서라면 배일 수도 있으며, 지구일 수도 혹은 은하일 수도 있는 것이다.

하지만 아인슈타인은 이 법칙의 예외를 찾아냈다. 빛은, 관측자와 비교 대상에 관계없이 항상 같은 속도로 움직인다. 이 말은 관찰자가 아무리 빠르게 움직여도 관찰자의 눈에 보이는 빛의 속도는 언제나 초속 299,792,458m라는 뜻이다. 만물 중에서 빛의 속도만이 항상 일정하다는 말은 시간의 속도가 일정하지 않다는 뜻이다. 실제로 빛의 속도에 가까울 정도로 빠르게 움직이면 시간의 흐름은 느려지고, 거리는 짧아진다.

아인슈타인의 이 이론은 1971년 빠른 속도로 비행하는 항공기에 실린 원자시계가 지상에 설치된 똑같은 원자시계보다 약간이지만 느리게 가는 것이 확인되며 입증되었다. 하지만 이 방법으로 1초를 벌려면 지구 둘레를 1,800억 바퀴나 돌아야한다는 점을 고려해본다면 초고속 비행기에 타서 더 오래 살아보겠다는 것은 그다지 좋은 생각이 아닐 수도 있다.

1915년에 발표된 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 한발 더 나아가 시공간과 물질 사이의 관계를 중력을 이용해 설명하고자 했다. 물질은 시공간을 휘어지게 만든다. 마치 팽팽하게 매어놓은 담요에 공을 던지면 담요가 움푹 들어가듯이. 빛을 포함한 모든 물체가 시공간(휘어졌건 아니건)에서 움직이는 것은 중력을 이용해 설명할 수 있다.

네 귀퉁이를 매단 담요에 큰 공을 던져서 만들어진 홈으로 작은 공이 굴러 들어가듯, 우주에서는 작은 중력을 가진 물체가 큰 중력을 가진 물체로 끌려간다. 이런 휘어진 공간 개념은 아인슈타인보다 훨씬 앞서 독일의 수학자 베른하르트 리만이 생각했던 것이지만, 아인슈타인은 이 개념을 확실하게 설명할 수 있는 방정식을 만들어냈다.