От 1905 г., годината, в която получава докторска степен, през 20-те години Алберт Айнщайн прави поредица от открития и формулировки, които коренно променят разбирането на човечеството за времето, материята и основите на реалност. Въпреки че Айнщайн посвещава по-късните си десетилетия на политическия активизъм, най-забележителните му научни пробиви му спечели постоянно място в аналите на историята и породи развитието на изцяло нови области на проучване.
Известната формулировка
Може би най-известната и разпознаваема научна формула на всички времена, E = mc ^ 2 се появява в „Специалната теория на относителността“ на Айнщайн, публикувана за първи път през 1905 г. Формулата показва как масата на обекта произтича от разделянето на неговата кинетична енергия на квадрата на скоростта на светлината. Основополагащото заключение на формулата представя енергията и масата като взаимозаменяеми обекти и обединява три очевидно различни природни елемента. Уравнението има дълбоки последици за развитието на нови източници на енергия и показва как налягането и топлината в сърцето на слънцето преобразуват масата директно в енергия.
Обща теория на относителността
„Активността на Айнщайн“, публикувана през 1915 г., продължава там, където „Специалната теория на относителността“ спира. Основното понятие за обща теория на относителността се развива от включването на ускорението в предишната теория. Най-важният аспект на общата теория на относителността описва изкривяването, което масивните обекти правят върху пространството-времето. Това изкривяване привлича по-малки обекти към по-големите, което обяснява съществуването на гравитацията. Представянето на пространството-време като податливо означава, че самото време не е константа. Теорията за общата теория на относителността на Айнщайн е получила потвърждение от наблюдаваното явление, като гравитационна леща и промени в орбитата на Меркурий. Общата теория на относителността съдържа и първите последици от тъмната материя. Грешка, отбелязана от Айнщайн и неговия колега, Вилем де Ситър, допринесе за откриването на тъмната материя в наблюденията на Ян Оорт върху звездните движения.
Абсолютната природа на светлината
Теориите на относителността на Айнщайн разчитат до голяма степен на представата му за скоростта на светлината като абсолютна. Преди това конвенционалните знания смятаха, че пространството и времето служат като абсолютните понятия, върху които се основава физиката. Айнщайн смята, че скоростта на светлината остава същата при всякакви условия, дори във вакуум, и никога не може да се увеличи. Например обект, хвърлен със скоростта на светлината от превозно средство, движещо се със същата скорост, няма да премине покрай превозното средство. Айнщайн също представи светлината като колекция от частици, а не като вълна. Тази теория, спечелила Айнщайн през 1921 г. Нобелова награда за физика, допринесе за развитието на квантовата физика.
Други важни постижения
В доклад от 1905 г. Айнщайн представя уравнение, което обяснява случайните движения на частици, известно като Браунов движение, в резултат на удари с неизвестни досега молекули, които осигуряват основата на частицата теория. През 1910 г. Айнщайн публикува статия за критичната опалесценция, която обяснява феномена на дисперсия на светлината, който придава на небето своя цвят. През 1924 г. Айнщайн извлича последици от теорията на Сатиендра Бозе върху състава на светлината, за да обясни структурата на атомите. Така наречената статистика на Бозе-Айнщайн сега дава представа за сглобяването на бозонни частици.