В 1895 г. Альберт отправился в Цюрих, в Федеральное высшее политехническое училище, для поступления в которое не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Не обладая достаточной подготовкой, он провалился на экзаменах по французскому языку и истории, но понравился директору училища, который и посоветовал ему поступить в последний класс кантональной школы в Аарау, в 20 милях к западу от Цюриха, чтобы все-таки получить аттестат зрелости. Спустя год Эйнштейн без проблем поступил на педагогический факультет Цюрихского политехникума. Здесь одним из его учителей был превосходный математик Герман Минковский (впоследствии именно он придал специальной теории относительности законченную математическую форму), так что Эйнштейн мог бы получить солидную математическую подготовку, однако большую часть времени он работал в физической лаборатории, а в остальное время самостоятельно читал классические труды Г. Кирхгофа, Дж. Максвелла, Г. Гельмгольца и др.
Летом 1900 г. Альберт получил диплом учителя физики и математики, а в 1901 г. стал гражданином Швейцарии. Профессор физики Г. Ф. Вебер, приверженец старых порядков, не оставил своевольного студента на своей кафедре, поэтому Эйнштейну пришлось некоторое время преподавать физику в Шаффгаузене и давать частные уроки.
Только в июле 1902 г., с помощью бывшего однокурсника Марселя Гроссмана, Альберту удалось устроиться на должность эксперта третьего класса в Бернском федеральном бюро патентов. Он прослужил патентоведом семь с лишним лет – по октябрь 1909 г. В это время у Альберта усилился интерес к физике, которая увлекла его еще в годы учебы. Постоянный контакт с передовыми технологиями, новыми конструкторскими решениями будил научное воображение, рождал творческие идеи. Раскрепощению мысли способствовал и круг друзей, талантливых молодых людей, образовавших содружество, в шутку названное «Академия Олимпия».
В 1903 г., несмотря на категорическое возражение родителей, Альберт женился на своей университетской подруге Милеве Марич, сербке по происхождению, которая стала свидетельницей его первых шагов в мир науки. От этого брака у него было два сына (Ханс-Альберт и Эдуард). Альберт и Милева были совершенно разными людьми. Для Эйнштейна физика всегда была на первом месте. Второе место было где-то очень далеко от первого, и вот оно-то и было отдано жене. Их семейная жизнь сложилась неудачно. Рождение детей не сделало семью более крепкой, и с началом Первой мировой войны они разъехались, а в 1919 г. развелись. Несмотря на это, Эйнштейн отдал жене и сыновьям денежное вознаграждение от полученной им в 1921 г. Нобелевской премии. Сразу же после развода с Милевой Альберт женился на своей двоюродной сестре Эльзе Лёвенталь, у которой было две дочери от первого брака.
Бернский период в жизни Эйнштейна по научной плодотворности историки нередко сравнивают с «чумными годами», проведенными Исааком Ньютоном в Вулсторпе. Здесь, в Берне, в 1905 г. в престижном немецком ежемесячнике «Annalen der Physik» одна за другой вышли в свет четыре научные работы молодого ученого, совершившие переворот в физике. Первая раскрывала теорию броуновского движения, вторая – «Новое определение размеров молекул» – была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и вскоре Альберт стал доктором наук.
Сенсацией, вызвавшей в научной среде ожесточенные споры, стала статья, в которой излагалась двойственная природа света. Эйнштейн утверждал, что свет представляет собой одновременно и поток электромагнитных волн, и поток частиц (фотонов). Эта удивительная идея получила всеобщее признание только через 20 лет. Четвертая работа знаменитой серии статей под заголовком «К электродинамике движущихся тел» формулировала специальную теорию относительности. Она подводила итог многолетней упорной работы молодого ученого над проблемой пространства и времени (хотя написана была всего за 6 недель).
В этой теории Эйнштейн дерзнул перенести принцип относительности механических процессов, сформулированный еще Галилеем, на оптические и другие физические явления. Вопреки закону сложения скоростей ученый утверждал, что скорость света не зависит от скорости движения его источника, т. е. декларировал постоянство скорости света. В более широком плане это означало равноценность систем координат относительно друг друга. По сути, новая теория разрушала прежние представления об основах мироздания (правда, в той части, где события происходят со скоростями более низкими, чем скорость света). Относительный же мир Эйнштейна соответствовал световым скоростям, создавал новую механику, отличную от механики Ньютона.
Так Эйнштейн стал известным ученым, и весной 1909 г. его назначили экстраординарным профессором теоретической физики Цюрихского университета, а в начале 1911 г. пригласили возглавить кафедру в немецком университете в Праге. Летом следующего года Альберт возвратился в Цюрих и стал профессором созданной специально для него кафедры математической физики в политехникуме, где он когда-то учился сам.
В 1914 г. Эйнштейн был избран членом Прусской академии наук и приглашен в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). В течение последующих 19 лет он читал здесь лекции, вел семинары, регулярно участвовал в работе коллоквиума, который во время учебного года раз в неделю проводился в Физическом институте.
Однажды на лекции Эйнштейна спросили, как делаются великие открытия. Он ненадолго задумался и ответил: «Допустим, что все знают о чем-то, что это невозможно сделать. Однако находится один невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие».
После нескольких лет напряженной работы ученому удалось в 1915 г. создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными. Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и происходящие с переменной скоростью. Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона, становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий. Так, например, по Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения распространяется мгновенно, а ее мерой служит гравитационная масса. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инерциальной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы. Альберта заинтересовало, почему эти две массы совпадают.
Он произвел так называемый «мысленный эксперимент». Если бы человек в свободно падающем лифте уронил ключи, то они не упали бы на пол: лифт, человек и ключи падали бы с одной и той же скоростью и сохранили бы свои положения относительно друг друга. Так происходило бы в некой воображаемой точке пространства вдали от всех источников гравитации. Затем Эйнштейн расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта «горизонтально», то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для ученого это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.
Предложенная Эйнштейном общая теория относительности заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел. Как однажды заметил коллега Альберта, американский физик Дж. А. Уилер, «пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться».