愛因斯坦一生發表了很多書籍與論文。除此以外，他還與很多科學家合作貢獻出許多重要結果。
奇蹟年論文
主條目：奇蹟年論文
愛因斯坦於1905年在《物理年鑑》發表了四篇劃時代的論文。從來沒有人能在這麼短暫的時間內對於現代物理給出這麼多重大貢獻[54]:121。這一年因此被稱為「愛因斯坦奇蹟年」。這四篇論文分別為[73]：
標題
專注領域
收件日期
發表日期
重要性
關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點
光電效應
3月18日
6月9日
提出光量子假說，即光是由離散的能量粒子（光量子）所組成。這假說關鍵性地促成了量子力學的早期發展，首先揭示了微觀世界的基本特徵：波粒二象性。[90]:269-276
熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動
布朗運動
5月11日
7月18日
論述怎樣證實原子的物理實在，創建漲落現象研究領域，對於在那時尚具爭議性的統計物理學給予強力支持、為隨機過程理論的未來發展鋪路。[73]:73
論運動物體的電動力學
狹義相對論
6月30日
9月26日
改變舊有的時間與空間的觀念，化解馬克士威方程組與古典力學定律之間的矛盾[91]:142，說明乙太的概念是多餘無用的。[92]:330
物體的慣性同它所含的能量有關嗎？
質能等價
9月27日
11月21日
表述物質與能量等價E = mc2（這意味著重力可以彎曲光束）、粒子的靜止能量、核能的理論根據。
相對論和愛因斯坦質能方程式
主條目：狹義相對論
愛因斯坦在論文《論運動物體的電動力學》裏提出了狹義相對論的兩個基本公設：「光速不變」，以及「相對性原理」，按照這兩個基本公設對於古典力學在運動速度接近光速時做出一些重要修正，從而化解了馬克士威方程組與古典力學定律之間的矛盾。經過整理之後，這些創舉成為愛因斯坦的狹義相對論。
承認時空的相對性與光速的不變性導致了幾個必然的推論。一是運動物體在其運動方向會表現出長度收縮。二是運動物體會經歷時間膨脹。也就是說，一個運動中的鐘錶要比靜止的同樣鐘錶走得慢。三是乙太的概念其實是多餘無用的。[93]
愛因斯坦在表述質能等價的論文裡，從狹義相對論的方程式裏推導出質能方程式E = mc2。這意味著能量和質量其實是一回事，可以相互轉換。對於任何物體來説，其質量會隨著其速度的增加而增加。[51]:215-222
愛因斯坦的相對論曾經有很多年備受爭議，他獲得1921年諾貝爾物理學獎並不是因為表揚他在相對論做出重大貢獻。普朗克是最熱烈支持相對論的物理學者之一。[94]:75-76[72]:382-386
光子與能量量子
光電效應示意圖：來自左上方的光子衝擊到金屬板，將電子逐出金屬板，並且向右上方移去
主條目：光子和光電效應
在論文《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》裏[95]，愛因斯坦提出光量子假說，即光是由離散的能量量子組成，這能量量子稱為光量子，後來被簡稱為光子。最初，光量子假說遭到物理學者強烈質疑，其中包括馬克斯·普朗克以及尼爾斯·波耳。後來，羅伯特·密立坎做實驗證實了光電效應的方程式，阿瑟·康普頓做康普頓散射實驗展示在某種情況下光會表現出粒子性。直到1919年，光量子假說才被廣為接受。
愛因斯坦得到了一個結論，頻率為f的光束是由能量為hf的光量子所組成；其中，h為普朗克常數。愛因斯坦並沒有對這結論給出很多解釋，實際而言，他並不確定光量子與光波之間的關係。但是，他的確建議這點子能夠解釋某些實驗結果，尤其是光電效應。[90]:269-276
量子化原子振動
主條目：愛因斯坦模型
在1906年論文《普朗克的輻射理論和比熱容理論》裏，愛因斯坦提出一種新的描述物質的物理模型，稱為愛因斯坦模型。在這模型裏，位於晶格結構裏的每一個原子都被視為一個獨立的量子諧振子，它們各自以相同頻率像彈簧一樣做簡諧振動，因此具有離散的能級。杜隆-泊替定律預言比熱容為常數，在高溫極限時，這模型給出相同的理論結果；而當溫度趨於零時，這模型預言比熱容也趨於零，與實驗結果相符合。這是20世紀初期第三個被發現的重要量子理論[註 5]。
愛因斯坦模型預言比熱容以溫度的指數函數趨於零，這是因為它假設所有諧振子的振動頻率相同。彼得·德拜對於這假設給予修正，在他研究出的德拜模型裏，振動頻率不一樣，因此比熱容以溫度的立方函數趨於零。[72]:389ff
波粒二象性
主條目：波粒二象性
在愛因斯坦的光量子假說中，光量子只是表現出能量的不連續性，它尚未被賦予粒子應具有的性質，所以不能被嚴格視為粒子。1909年，在愛因斯坦發表的兩篇論文《論輻射問題的現狀》與《論我們關於輻射的本性和組成的觀點的發展》裏[96][97]，愛因斯坦闡明，光量子具有良好定義的動量，並且在某些方面表現出類點粒子的物理行為。這兩篇論文引入了光子的概念（吉爾伯特·路易斯於1926年給出術語光子的命名），啟發了量子力學的波粒二象性觀念。他又表示，理論物理下一個階段將會發展出一種能夠將光的波動論與光的粒子論融合在一起的理論。在這裏，「融合」意味著波粒二象性，或更加延伸，尼爾斯·波耳後來提出的互補原理。[72]:402-405
臨界乳光理論
在臨界點附近，照射於介質的光束會被介質強烈散射，這現象稱為臨界乳光。波蘭物理學者馬里安·斯莫盧霍夫斯基（英語：Marian Smoluchowski）於1908年首先表明，臨界乳光的機制為介質密度漲落，他並沒有給出相關的方程式。兩年後，愛因斯坦應用統計力學嚴格論述介質的分子結構所形成的密度漲落，從而推導出相關的方程式，並且用這方程式給出另一種計算亞佛加厥常數的方法，更有意思的是，這臨界乳光的機制可以解釋天空呈藍色的現象。[98]:283-285
按照瑞立散射理論，瑞立散射光的輻照度和入射光波長的四次方成反比。應用瑞立散射來解釋天空的藍色現象，波長較短的藍光比波長較長的紅光更易產生瑞立散射。因此，天空的顏色是藍色的。瑞立散射方程式能夠準確地描述光束對於氣體的瑞立散射行為，但對於液體並不適用。愛因斯坦的臨界乳光理論更一般地適用於液體與氣體；瑞立散射只是臨界乳光問題的一個特別案例。後來，布魯諾·齊姆（英語：Bruno Zimm）分析粒子在氣體與液體裡的隨機性，將瑞立散射理論加以延伸來描述光在液體裡的散射行為。[98]:283-285[99]
零點能
主條目：零點能
零點能指的是量子系統處於基態時所擁有的能量，量子系統所擁有能量不能低於零點能。普朗克於1911年至1913年之間重新表述他的1900年量子理論時提出了零點能的概念，他指出，在絕對溫度（或溫度趨於絕對溫度），振動頻率為
ν
{\displaystyle \nu }
的諧振子，其平均能量不是零，而是零點能
h
ν
/
2
{\displaystyle h\nu /2}
。[100]:270
愛因斯坦和助手奧托·斯特恩對於這點子極感興趣。他們研究出一種方法，能夠證實零點能的存在。他們假設雙原子分子的旋轉能含有零點能，並且所有雙原子分子以同樣角速度旋轉，然後計算出雙原子分子氣體的比熱容。他們在1913年論文《對於分子在絕對零度下的擾動假設的某些論證》裏，將氫氣的理論比熱容與實驗數據相互比較，他們總結，零點能
h
ν
/
2
{\displaystyle h\nu /2}
可能存在。[100]:270ff
雖然這計算結果很漂亮地符合實驗數據，不久之後，他們又撤回了這篇論文，主要原因是保羅·埃倫費斯特給出更具一般性的計算，從假設雙原子分子以某種統計分布的角速度進行旋轉，並且遵守普朗克的量子理論，他計算出與實驗數據相符合的理論結果，因此他總結，零點能不存在。[101]:48-49一直到1925年，零點能的存在才被維爾納·海森堡在他的著名論文《運動與機械關係的量子理論重新詮釋》裏理論證實[102]:162。
廣義相對論
英國天文學家亞瑟·愛丁頓拍攝到的1919年5月29日日食
主條目：廣義相對論
愛因斯坦在1907-1915年間創建的廣義相對論是一種重力理論。根據廣義相對論，在質量與質量之間觀測到的重力是源自於這些質量所造成的時空彎曲。在現代天文物理學裏，廣義相對論是重要工具。
在接受1921年諾貝爾物理獎的演講時，愛因斯坦表示狹義相對論對於慣性運動的偏好並不令人滿意，而從最開始就不偏好任何運動狀態（不論是等速運動或加速度運動）的理論，應該會顯得更令人滿意，因此他才會嘗試發展廣義相對論[103]。他在1907年論文《關於相對性原理和由此得出的結論》裏指出，自由下落實際是一種慣性運動，對於自由下落的觀察者而言，狹義相對論的規則應該適用。愛因斯坦並沒有對這後來被稱為等效原理的論題給出詳盡分析。另外，他還初步預言重力紅移，即射入重力勢阱中的光會發生藍移，而相反從重力勢阱中射出的光會發生紅移；又粗略預言光線在重力場中的偏折，即光子的路徑在重力場中會發生偏折。這些預言後來紛紛得到了實驗驗證。[104]:273-274[72]:179-183
愛因斯坦將1907年論文加以擴充，於1911年寫成論文《論重力對光的傳播的影響》；在這篇論文裏，他對光線在重力場中的偏折重新加以詳細分析，得到可以嚴格測試的結果，即光線經過太陽產生的重力場時被偏折的角度。這預言可以做實驗嚴格檢試，因此他呼籲實驗者的關注，儘快完成這實驗。[72]:194-195
經過多年思考重力的內秉性質，愛因斯坦領悟到重力可以定義為時空的彎曲，對於重力的詳細描述必須用到幾何，更甚言之，幾何是發現重力定律的重要工具，因此，他找到大學同學馬塞爾·格羅斯曼來幫助他解決數學方面的問題。格羅斯曼建議他使用黎曼幾何，因為黎曼張量與從其衍伸的里奇張量都具有廣義協變性。1913年他與格羅斯曼共同發表了論文《廣義相對論和重力理論綱要》[105]。在這篇論文裏，他們給出的場方程式很像後來的愛因斯坦場方程式，但具有非常有限的協變性，這場方程式後來被稱為「草稿場方程式」。1915年11月，愛因斯坦一連串發表了四篇關於廣義相對論的論文。第三篇論文《用廣義相對論解釋水星近日點運動》詳細分析水星的反常進動現象，所得到的理論數值與實驗數據完全符合，並且還修改先前對於光子路徑在重力場中發生的偏折所做的估算，這修正後來也成功通過實驗檢試[106]。第四篇論文《重力場方程式》終於給出具有廣義協變性的場方程式，後來稱為愛因斯坦場方程式，這方程式能夠描述重力場和物質彼此之間的交互作用[107]；如同約翰·惠勒所說，物質告訴時空怎樣彎曲，空間告訴物質怎樣移動。在弱重力場的狀況下，愛因斯坦場方程式必須與牛頓萬有引力定律相互嚙合，而在零重力場的狀況下，愛因斯坦場方程式又必須與狹義相對論相互嚙合。這兩個條件幾乎決定了愛因斯坦場方程式的形式，也是愛因斯坦給出愛因斯坦場方程式的關鍵概念。[108]:438
重力波
重力波是時空曲率的漣漪以波動的形式從波源向外傳播，同時會有能量向外傳輸。1916年，愛因斯坦預言了重力波的存在，[109][110]根據廣義相對論，勞侖茲不變性使得重力波的存在成為可能，由於重力交互作用必須以有限速度傳播於空間。但根據牛頓萬有引力定律無法得到這種結果，因其假定重力交互作用是以無窮高速度傳播於空間。
普林斯頓大學物理學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒於1974年發現首個脈衝雙星系統PSR B1913+16，通過對其深入研究，首次發現重力波存在的間接定量證據。[111]2016年2月11日，正好在愛因斯坦預言發表100年之後，LIGO團隊宣布，已直接探測到重力波，其源頭來自於雙黑洞融合機制。[112]
宇宙學
主條目：宇宙學
全新裝備了功能超強的廣義相對論，愛因斯坦已準備好在夢寐以求的宇宙學領域大展身手。1917年，他應用廣義相對論來建模整個宇宙結構。從那時的實驗觀測推論，他認為宇宙的範圍是有限，並且不具有任何邊界，因為宇宙質量會使時空彎曲回自己，就如同圓球的表面，具有有限的面積，不具有任何邊界。這種宇宙稱為靜態宇宙。但是，根據愛因斯坦場方程式，靜態宇宙不可能存在，宇宙只能擴張或收縮。為了使宇宙保持靜態，愛因斯坦在他的方程式中加入了一個宇宙常數項，然後讓宇宙常數項與宇宙質量項相互抵銷，這樣，宇宙常數可以抗拒重力的效應，從而實現靜態宇宙。然而，愛德溫·哈伯於1929年確定宇宙呈膨脹狀態。愛因斯坦只好放棄宇宙常數，他認為在重力方程式中引入該常數是他「一生中最大的錯誤」[113]:165-167[72]:285-288[註 6]。
後來，人們發現宇宙加速膨脹，這現象的最簡單說法是宇宙常數不為零，而是一個很小的數值10−52 m−2[116]。愛因斯坦的直覺最終可能還是正確的。
玻色-愛因斯坦統計
參見：玻色-愛因斯坦凝聚
印度物理學者薩特延德拉·玻色在1923年完成論文《普朗克定律與光量子假說》，並且將這篇論文寄給英國《哲學雜誌（英語：Philosophical Magazine）》，但是遭到拒絕發表。玻色絲毫不因此氣餒，隔年他又將該論文轉寄給愛因斯坦，尋求愛因斯坦的意見。在這篇論文裏，玻色提出一種新的統計模型，按照這模型，光束可以被視為由一群無法分辨的粒子所組成氣體，因此在做統計運算時，所有相同能量的光子應該合併處理。愛因斯坦注意到玻色的統計模型不僅適用於光子，還適用於很多其它種粒子，這些粒子後來被稱為玻色子。愛因斯坦把玻色的論文翻譯成德文後發表於德國的《物理期刊》（Zeitschrift für Physik）。[51]:523
愛因斯坦將玻色的理論推廣至帶質量的粒子，於1924年發表論文《單原子理想氣體的量子理論》，隔年，又發表論文預言，玻色子冷卻至非常低溫時，會凝聚到其能量最低的量子態，因此會出現一種新的物態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態。1995年，科羅拉多大學波德分校的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用銣原子氣體在170 nK（1.7×10−7 K）的低溫下首次觀測到了玻色-愛因斯坦凝聚[117]。四個月後，麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒使用鈉原子氣體獨立實現了玻色-愛因斯坦凝聚。[118]
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