19世纪末20世纪初的时候，经典物理学遇到了困难。1905年爱因斯坦建立起狭义相对论后一些问题得到了有效解决。狭义相对论给出了全新的时空观，之前的牛顿运动定律只不过是在低速时的近似。

在洛伦兹变换下，牛顿运动定律不能保持协变性。中学时期都学过牛顿的F=ma，到了相对论那里，这个公式就已不再成立。在牛顿的世界里，加速度a的方向和合力F的方向一致，到了相对论那里，加速度a的方向和合力F的方向一般是不一致的。在相对论的四维时空下，物体受到的合力F与速度v及加速度a三个矢量共面，合力的方向是由速度v及加速度a的方向共同决定的。总之，在相对论的世界里，加速度与合力在大小及方向的关系上与经典力学有着显著的不同，而一旦物体的速度比较低，或者说物体的速度v除以光速c接近0的话，狭义相对论又与经典力学趋于一致。

需要说明一下的是，中学物理课上学到的F=ma并不是牛顿第二定律的最初形式。牛顿在《自然哲学的数学原理》中给出的牛顿第二定律的表达式为F=dmv/dt，即物体受到的合力等于物体动量的变化率。在中学阶段将物体的质量m从表达式中提取出来从而得到了F=ma，高速情况下物体的质量会明显发生变化，故F=ma在高速情况下是不成立的。而牛顿给出的原始表达式F=dmv/dt不论是在低速还是亚光速情况下都是成立的。