К концу XIX века в мире физики появилась новая важная теория — электродинамика Максвелла. Она была тщательно проверена экспериментально и отлично описывала физическую действительность. Но в уравнениях Максвелла существовала одна важная проблема — они были неинвариантны относительно преобразований Галилея.
Поясним подробнее — вся ньютоновская механика основана на том, что форма уравнений движения не меняется при переходе от одной движущейся равномерно и прямолинейно системы отсчета к другой, причем переход этот выглядит очень просто. Системами отсчета здесь могут быть наблюдатели, один из которых стоит на перроне, а другой сидит в купе проезжающего мимо поезда. Хочется предположить, что для этих наблюдателей сохранятся и уравнения других областей физики — например, термодинамики и электродинамики.
В существовавшей на тот момент электродинамике вводилось понятие абсолютно неподвижного эфира, в котором распространялись электромагнитные волны. Это приводило к тому, что смена системы отсчета изменяла форму уравнений. Как правило, это иллюстрируют тем, что скорость света не меняется, в какой бы инерциальной системе отсчета мы ее не измеряли. Это, конечно же, противоречит ньютоновской механике: та говорит, что если мы будем догонять луч света с постоянной, околосветовой скоростью v, то измеряемая нами скорость этого луча будет меньше, чем измеряемая неподвижным наблюдателем на величину v. В пределе, если мы движемся со скоростью света относительно луча света, то этот луч должен был бы для нас остановиться.
Дальнейшие проблемы у ньютоновской механики возникли при попытке обнаружить движение Земли относительно абсолютно неподвижного эфира. Опыт Майкельсона-Морли однозначно указал на то, что Земля относительно эфира не движется (или движется, но по меньшей мере в шесть раз медленнее, чем того можно ожидать — впрочем, сейчас ограничение на скорость эфирного ветра достигает 10-17). Хендрик Лоренц и Джордж Фитцжеральд попытались сохранить теорию эфира и объяснили результаты эксперимента сокращением линейных размеров тел, движущихся с большой скоростью, а также замедлением местного времени. Работа Альберта Эйнштейна упростила интерпретацию эксперимента и исключила необходимость в эфире, предложив более стройную и изящную теорию относительности.
Необходимость в общей теории относительности сам Эйнштейн объяснял необъяснимой предпочтительностью равномерного и прямолинейного движения над ускоряющимся. Заметив принципиальную неотличимость действия гравитации и ускорения и указав на то, что для объектов в состоянии свободного падения также должны действовать принципы СТО физик создал современную модель гравитации.