Einstein vaikuttaa yhä maailmankuvaan "Uskomattomilta kuulostavat väitteet osoittautuivat yksi toisensa jälkeen tosiksi."
Luontoa tutkittiin 1900-luvun alussa fysiikan eri alueilla, jotka olivat varsin etäällä toisistaan. Newtonin mekaniikka selitti taivaankappaleiden liikkeet, ja sitä soveltaen suunniteltiin sillat, rakennukset ja kulkuneuvot. Lämpöilmiöitä tulkittiin hiukkasjoukkojen tilastollisilla suureilla, kuten lämpötilalla. Lämpö ymmärrettiin hiukkasten liikkeeksi, joten sillä oli yhteys mekaniikkaan.
Sähköisten ja magneettisten ilmiöiden kytkeytyminen oli varmistunut 1800-luvun alun vuosikymmeninä. Michael Faraday keksi tutkimustensa yhteydessä muun muassa dynamon, sähkömoottorin ja muuntajan, joihin perustuu nykyisin yhteiskunnan toiminta energian tuotannosta kodin mukavuuksiin.
Ministeri Robert Peel kysyi Faradaylta dynamon mahdollisesta hyödystä, ja tutkija vastasi: "Sir, en tiedä, mutta olen varma että keräätte siitä vielä veroa." Faraday kuvitteli kenttiä sähkömagneettisten ilmiöiden aiheuttajiksi. Hän piti kenttiä jopa olennaisempina kuin ainetta.
James Maxwell muunsi Faradayn kentät matematiikan kielelle ja loi 1800-luvun lopulla elektrodynamiikan teorian. Sen mukaan valo on sähkömagneettista säteilyä eli sähkömagneettiset ja optiset ilmiöt ovatkin sukua. 1800-luvun kuluessa valosta löytyi spektriviivoja, joista voitiin päätellä valonlähteen alkuaineet. Säteilyn synnyn selittäminen oli suuri haaste. 1860-luvun lopussa keksitty alkuaineiden jaksollinen järjestelmä haastoi selittämään aineen perusrakennetta ja aineiden kemiallisia ominaisuuksia.
Nesteiden sähkövirtojen tutkimus oli jo 1830-luvulla johtanut etsimään "sähkövarauksen atomia", ja vihdoin 1897 J. J. Tomson löysi elektronin. Radioaktiivinen hajoaminen paljastui vuotta aikaisemmin. Fysiikassa alkoi uusi vaihe, atomin rakenteen tutkimus. Max Planck osoitti 1900, että säteily koostuu pienen annoksen kokonaisista monikerroista, ja säteily ymmärrettiin kvantittuneeksi.
Tällaiseen keitokseen Albert Einstein pisti lusikkansa. Hän julkaisi 1905 kaksi tutkimusta, joilla halusi osoittaa, että aine rakentuu atomeista ja että säteily ja aine vaikuttavat toisiinsa Planckin kvanteilla. Einstein tutki, miten näkymättömien atomien liikkeet vaikuttavat näkyvästi. Hän kehitti työhön tilastomatemaattisen menetelmän, jota on sovellettu muuhunkin. Einstein totesi, että tulokset selittävät ns. Brownin liikkeen, jonka Robert Brown oli 1827 havainnut mikroskoopilla kasvisolujen hiukkasten liikkeissä.
Toinen tutkimus selitti, että tunnetussa valosähköisessä ilmiössä säteily imeytyy atomeihin ja vapautuu niistä Planckin kvantteina.
Maailmankuvan näkökulmasta fysiikan eri alat näyttivät kytkeytyvän toisiinsa yhä tiiviimmin. Kolmannessa vuoden 1905 työssään Einsteinin pohti Maxwellin sähködynamiikan ja Newtonin mekaniikan ristiriitaa. Maxwellin yhtälöissä valon nopeus oli riippumaton havaitsijan liiketilasta. Newtonin mekaniikassa niin ei voinut olla. Muutkin olivat jo kiinnittäneet asiaan huomiota ja ehdottaneet liiketiloista riippuvia matemaattisia muunnoksia. Einstein ratkaisi ongelman väittämällä, että valon nopeus havaitaan samana, liikkuupa havaitsija millä nopeudella tahansa.
Syntyi suppea tai erityinen suhteellisuusteoria. Se antoi Maxwellin elektrodynamiikalle yleisemmän merkityksen kuin Newtonin mekaniikalle. Suppean suhteellisuusteorian sensaatiomaisia tuloksia olivat muun muassa kellon käynnin hidastuminen ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta ja paradoksi, jonka mukaan kaksoset voivat vanheta eri tahtiin. Uskomattomilta kuulostavat väitteet osoittautuivat yksi toisensa jälkeen tosiksi.
Suppeasta suhteellisuusteoriasta kumpusi Einsteinin 1905 julkaiseman lyhyen artikkelin kuuluisa yhtälö E = mc2, joka kertoo massan ja energian välisen yhteyden. Yhtälö on selittänyt, miten tähdet, myös Aurinko, tuottavat säteilemänsä energian. Siten se on elämän synnyn ja ylläpidon yhtälö. Se on myös antanut ihmiskunnalle avaimet aineeseen kätkeytyvän energian vapauttamiseen sekä hyvään että pahaan.
Aineen rakenteen tutkimus mullistui. Tanskalainen Niels Bohr esitti 1913 atomimallinsa, joka perustui energian kvantittumiseen. Siitä seurasi seuraavalla vuosikymmenellä kvanttimekaniikka, jossa klassisen mekaniikan tarkat paikat, nopeudet ja tapahtuma-ajat korvautuivat todennäköisyyksillä.
Einstein ei hyväksynyt kehitystä. Hän uskoi, että kyseessä on välivaihe ja että fysiikan uudistuessa käsitteet saavat jälleen täsmällisen merkityksensä. Niin ei ole kuitenkaan tapahtunut. Siitä huolimatta kvanttimekaniikka on osoittautunut ylivoimaisen tarkaksi luonnon käyttäytymisen kuvaajaksi.
Suppeassa suhteellisuusteoriassa liikkeet ovat tasaisia ja suoraviivaisia. Einstein ryhtyi luomaan yleisempää teoriaa, jossa liikkeet voivat olla kiihtyviä. Hänen lähtökohtansa mukaan vetovoiman tunteva "raskas" massa ja kiihdyttävän voiman tunteva "hidas" massa ovat samat. Ponnistelu johti 1916 yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka kytki avaruuden ja materian toisiinsa: avaruuden sisältämä massa määrää avaruuden rakenteen. Avaruuden rakenne eli "kaarevuus" puolestaan määrää, kuinka aine avaruudessa liikkuu.
Kun teoria valmistui, näytti että tähdet pysyivät avaruudessa keskimäärin paikoillaan. Sen takia Einstein lisäsi teoriansa kenttäyhtälöihin vakion, jonka tehtävänä oli estää maailmakaikkeutta romahtamasta kasaan. Pian kuitenkin osoittautui, että galaksien maailmankaikkeus laajenee, eikä vakiota tarvittu. Luonteenomaiseen tapaansa Einstein tunnusti havaintojen merkityksen ja muutti käsitystään.
Dynaamiseen maailmankuvaan sopii, että myös tähdet ja tähtijärjestelmät muuttuvat ajan myötä ennen muuta muuttaessaan energiantuotannossa keveitä alkuaineita raskaammiksi. Vuosimiljardien kuluessa alkuaineiden runsaussuhteet maailmankaikkeudessa muuttuvat vääjäämättä.
Uusin tutkimus kertoo, että maailmankaikkeus sisältää paljon näkymätöntä ainetta ja energiaa, joka kiihdyttää laajenemista. Maailmankuvamme on siis kaikkea muuta kuin valmis. Mihin suuntaan tutkimus meitä viekin, suhteellisuusteorialla on maailmankuvan kehityksessä yhä keskeinen merkitys.