La mécanique classique, valable en cas de vitesses faibles, ne l'est plus quand les vitesses ne sont pas négligeables devant celle de la lumière. Alors s'impose une mécanique relativiste, élaborée par Einstein en deux étapes.

La relativité restreinte.

D'après cette théorie, conçue en 1905, la durée d'un phénomène, évaluée par divers observateurs en mouvement, est une quantité propre à chaque observateur, qui dépend de sa position et de sa vitesse. Cette relativité du temps impose celle des longueurs. On ne peut plus appréhender l'Univers en ne considérant que les trois dimensions de l'espace, mais il faut également prendre en compte le temps, les phénomènes se déroulant dans un référentiel à quatre dimensions, l'espace-temps. La vitesse de la lumière dans le vide c (300 000 km/s) est une vitesse limite et ne peut être dépassée. Les vitesses ne s'additionnent jamais simplement. Cette théorie a pour conséquence l'équivalence de la masse et de l'énergie, donnée par la relation célèbre E=mc², qui régit notamment le bilan des réactions nucléaires.

La relativité généralisée.

Énoncée en 1916, elle impose aux lois physiques d'être indépendantes du système de référence et identifie la gravitation à une inertie. Elle a pour conséquences la déviation de la lumière par la pesanteur et le ralentissement des horloges dans les champs de gravitation. La géométrie euclidienne classique n'est pas applicable à l'espace-temps, qui est courbé au voisinage des îlots de matière, et exclut l'existence des lignes droites. L'Univers ne peut se trouver en équilibre, prédiction corroborée par la fuite apparente des galaxies, qui s'interprète comme un effet de l'expansion de celui-ci.