Một giây tưởng như ở đâu cũng giống nhau. Nhưng hai đồng hồ nguyên tử đặt ở những độ cao khác nhau dần ghi được những khoảng thời gian khác nhau; đồng hồ đang chuyển động ghi được ít thời gian hơn đồng hồ đứng yên. Những hiệu ứng này đã được đo trực tiếp và phải được tính đến trong các hệ thống định vị vệ tinh. Mỗi đồng hồ vẫn chạy đúng; khác nhau là khoảng thời gian mà chúng ghi được.

Cách ta đo không gian cũng phụ thuộc vào chuyển động. Hai người chuyển động thẳng đều so với nhau có thể đo những khoảng cách và khoảng thời gian khác nhau cho cùng một chuỗi sự kiện, nhưng khi đo ánh sáng trong chân không, họ vẫn nhận được cùng một tốc độ. Vì thế, không gian và thời gian không thể được xem như hai phần hoàn toàn độc lập. Chúng liên hệ với nhau trong một cấu trúc chung mà vật lý gọi là không-thời gian.

Thuyết tương đối rộng, lý thuyết hiện đại về hấp dẫn, không coi cấu trúc ấy là một phông nền bất biến. Vật chất và năng lượng làm thay đổi hình học của không-thời gian, tức quy tắc xác định khoảng cách và khoảng thời gian giữa các sự kiện. Đến lượt mình, hình học ấy quy định cách vật rơi tự do và ánh sáng chuyển động. Chuyển động của các hành tinh, đường đi của ánh sáng khi qua gần một vật thể rất nặng, hay việc đồng hồ ghi được ít thời gian hơn ở nơi hấp dẫn mạnh hơn đều được mô tả bằng cùng một lý thuyết. Những dự đoán ấy đã được kiểm tra bằng quan sát thiên văn, đồng hồ nguyên tử và các hệ thống định vị vệ tinh.

Theo thuyết tương đối rộng, hố đen là vùng có hấp dẫn cực mạnh, giới hạn bởi một ranh giới gọi là chân trời sự kiện. Từ bên trong ranh giới ấy, không tín hiệu nào — kể cả ánh sáng — có thể truyền ra ngoài. Vì thế ta không quan sát được phần bên trong hố đen, nhưng vẫn có thể nghiên cứu chính hố đen qua những dấu vết để lại bên ngoài: chuyển động của các ngôi sao, bức xạ từ vật chất nóng xung quanh và sự lệch hướng của ánh sáng khi đi qua vùng hấp dẫn mạnh.

Hình học của không-thời gian cũng có thể dao động và lan truyền với tốc độ ánh sáng; đó là sóng hấp dẫn. Hai hố đen hoặc hai sao neutron quay quanh nhau phát ra loại sóng này, mạnh nhất lúc hợp nhất. Các đài quan sát như LIGO dùng tia laser so sánh độ dài hai cánh tay vuông góc dài hàng kilômét, và đã đo được những thay đổi độ dài nhỏ hơn cả một hạt nhân nguyên tử. Nhờ đó, các nhà thiên văn có thể nghiên cứu những sự kiện trong vũ trụ bằng một tín hiệu không phải ánh sáng.

Sau hơn một thế kỷ kiểm nghiệm, thuyết tương đối đã vượt qua nhiều phép thử rất khác nhau, từ đồng hồ nguyên tử và chuyển động của các thiên thể đến sự lệch hướng của ánh sáng và sóng hấp dẫn. Nhưng ở những nơi hấp dẫn cực mạnh tác động lên những khoảng cách cực nhỏ, như sâu bên trong hố đen, thuyết tương đối được cho là chưa đủ, và vật lý hiện nay chưa có lý thuyết lượng tử về hấp dẫn nào được kiểm chứng. Chưa có phép đo nào cho phép chọn giữa các lý thuyết đang được đề xuất.