麦克斯韦的电磁理论认为电磁辐射按宇宙速度传播，这导致了爱因斯坦在他的《狭义相对论》一描绘出全新的世界观。爱因斯坦在详细列出了牛顿的惯性系概念及其隐含的测量标杆框架，包括时间是如何恒定流逝的，并解释称牛顿的这些观点都只是对更加深奥的系统的近似理解。之后德国数学家赫尔曼·明科夫斯基很快注意到，如果时间和空间在所谓的四维时空中纠缠在一起，那么这个理论会呈现出一种相似的形式。你一定知道毕达哥拉斯定理：在一个二维的直角三角形中，假设两条直角边长度分别为x 、y ，那么斜边的长度s 满足
。我们可以将x 、y 想象成一个点的经度和纬度值，通过旋转地图就能赋予其新的经度和纬度值，而无论如何，经纬线都是相互垂直的。所以无论x 和y 如何变换，s 2 的值都保持不变；我们可以说，s 2 不随旋转而变化（图5.1）。在三维空间中，存在经度、纬度以及离地高度z 。而不变的长度s 也可以推广到三维：
。在任何惯性系中这个等式都成立：无论怎么旋转或者替换，s 2 的长度都保持不变。
图5.1 毕达哥拉斯告诉我们，
这个等式与x 、y 的垂直方向无关
在狭义相对论中，如果物体从一个系进入另一个系，其物理量并非不会发生任何变化。特别是在一个高速移动的系中，其距离会缩短。与此同时，时钟也会发生变化。人们已经证实，在两个系中，时空联合体会保持不变：
。其中，c 表示恒定的光速。明科夫斯基觉得空间和时间可以被看成一种独立的四维时空；时间和空间维度的方向发生细微的变化，会部分导致时间坐标前出现负号，而空间坐标前会出现正号。
所有的这些观点都源于人们在思考：在不同惯性系中的人看到的电磁现象有何不同（爱因斯坦的文章就曾以“移动物体中的电动力学”为题）？在这个思维实验中，并没有包含引力的作用，所以爱因斯坦意识到他的理论还不完备。在氢原子中存在电子和质子，它们之间除了电磁力之外还有引力作用；而时空构造必须对两种作用都一视同仁，否则无法决定遵循哪一种。有件事通常看来十分不可思议：一个发生电磁现象的虚空，却运转在一个不同的时空构造下，其中充斥着无所不在的万有引力。
根据牛顿的万有引力理论，太阳和地球可以即时发生作用。但是根据爱因斯坦1905年提出的相对论，这种作用只能按光速传递，因此引力作用是需要时间的，正如电磁力作用一样。从实用主义的角度看，这似乎没什么相干，因为太阳系的行星围绕太阳的运动速度比光速的1/1000还慢，而在这么“慢”的速度下相对论效应是可以忽略的。但是这还是一个原则性的问题，爱因斯坦在1916年发表的广义相对论对其进行了解答。
