1. Teoria relativității speciale
Einstein a publicat în 1905 (an cunoscut ca annus mirabilis) lucrarea „Zur Elektrodynamik bewegter Körper” („Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”), în care propune teoria relativității speciale.Ideea de bază este aceea că legile fizicii sunt aceleași pentru toți observatorii inerțiali (adică cei care nu sunt accelerați) și că viteza luminii în vid este constantă, indiferent de mișcarea sursei sau a observatorului. (Aceasta contravine concepțiilor clasice newtoniene, unde vitezele se adunau simplu.) Din aceste premise rezultă consecințe surprinzătoare: dilatarea timpului (ceasurile care se mișcă „încetinesc” din perspectiva unui observator extern) și contracția lungimilor (lungimile în direcția mișcării par scurtate). De asemenea, relația celebră E = m c² apare ca o consecință logică: masa și energia sunt echivalente. Această teorie nu abordează gravitația, ci doar situațiile în care câmpurile gravitaționale sunt neglijabile și obiectele se mișcă uniform.
2. Teoria relativității generale
După aproximativ un deceniu de reflecție și dezvoltare matematică, Einstein extinde ideea relativității în contextul gravitației: teoria relativității generale este publicată în formulă completă în 1915. Teoria introduce conceptul de spațiu‑timp care nu este un fundal static, ci poate fi „curbat” de prezența masei și energiei. Gravitația devine astfel o manifestare geometrică: masele nu „trag” printr-o forță clasică, ci urmează traiectorii geodezice într-un spațiu‑timp curbat.Prin ecuațiile sale de câmp (ecuațiile lui Einstein), teoria leagă distribuția materiei și energiei de geometria spațiu‑timp. Această teorie a fost testată prin observații ale precesiei perihelului lui Mercur, al devierii luminii în apropierea Soarelui și ale undelor gravitaționale moderne.
3. Efectul fotoelectric și Premiul Nobel
În aceeași „an mirabilis” (1905), Einstein explică fenomenul efectului fotoelectric: când lumina bate pe o suprafață metalică, aceasta poate elibera electroni. Concepția clasică nu explica faptul că energia electronilor depinde de frecvența luminii, nu de intensitate. Einstein propune că lumina este compusă din cuante (fotoni), fiecare cu energie E = h f, și că fiecare foton poate transfera energia sa unui electron, astfel încât electronul poate scăpa de metal dacă frecvența luminii este suficient de mare. Pentru această lucrare, în 1921 (premiul acordat în 1922) i s-a decernat premiul Nobel pentru Fizică, „pentru serviciile aduse fizicii teoretice și în special pentru descoperirea legii efectului fotoelectric”. Explicația lui Einstein a contribuit decisiv la dezvoltarea mecanicii cuantice și schimbă paradigma despre natura luminii (undă vs. particulă).