Avant que soient élaborées les théories de la relativité, on pensait que la lumière se comportait comme le son lors du passage d'un train devant un observateur fixe : la fréquence du son croît lorsqu'il se rapproche puis chute brutalement à l'instant où il commence à s'éloigner, avant de décroitre progressivement.
Cet effet Doppler s'explique d'abord par l'addition des vitesses du son et du train, puis par la soustraction du premier par le second.
De la même manière, la vitesse de la lumière, provenant du Soleil, devait s'additionner avec celle de la Terre lorsque celle-ci, sur son orbite, se rapproche de lui, et se soustraire lorsqu'elle s'en éloigne.
L'expérience de Michelson a montré, d'une manière alors incompréhensible, qu'il n'en est rien.
Le génie d'Einstein a été de remettre en cause le paradigme de l'époque et d'admettre que la vitesse de la lumière est effectivement constante en s'interrogeant sur les conséquences de ce fait.
Il est arrivé à la conclusion que si la vitesse de la lumière est fixe, d'autres grandeurs, considérées fixes jusqu'alors, ne l'étaient pas : c'est le cas de la dimension et du temps.
Lorsque la longueur d'un objet est mesuré d'une part par un opérateur qui en est à une distance fixe et d'autre part par un dispositif qui est en mouvement par rapport à lui, les grandeurs trouvées ne sont pas les mêmes : la vitesse relative entre les deux outils de mesure est la cause de cette différence.
Il en est de même pour la durée enregistrée entre deux évènements par deux horloges en déplacement relatif l'une par rapport à l'autre.
Des expériences ont confirmé ces conclusions, en précisant qu'elles ne sont constatables que lorsque l'on est proche de la vitesse de la lumière.
C'est la relativité restreinte.
Einstein s'est alors intéressé à la gravitation qui semblait effectuer son attraction instantanément entre deux masses éloignées dans l'espace qui était considéré comme homogène et isotrope… Ce qui conduisait à imaginer des actions impliquant une vitesse de transmission supérieure à celle de la lumière.
En posant comme postulat la limite de vitesse de cette dernière, il a fallu admettre que c'est l'espace-temps qui se déforme sous l'action des masses et de l'énergie cinétique qui sont présents. L'espace n'est plus localement le même dans toutes les directions.
Il en résulte que, à ces endroits, la lumière est déviée et n'avance plus en ligne droite, mais comme une balle de golf sur un green bosselé.
Des expériences ont confirmé cette hypothèse, décelable lorsque les masses en jeu sont énormes — par exemple celle de trous noirs.
C'est la relativité générale.