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，在解决宏观低速现象的问题中，取得了无比辉煌的成功。直到２０世纪初，在物理学中，牛顿巨大的身影仍然君临一切，绝对时间和绝对空间的概念，在物理学家的心里依旧是神圣不可侵犯的。要等到物理学的研究对象，从宏观领域进入原子和电子的微观领域，从低速领域进入光速和近光速的高速领域，以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为基础的经典物理学，才暴露出严重问题。
此外，实验物理学也使人们对牛顿关于时空和运动的教条产生极大的怀疑。地球以每秒３０公里的速度在其轨道上绕着太阳转动。我们的太阳系以每秒２０公里的速度在宇宙中飞驰。最后是我们的银河系，它与其他遥远的银河系相比，以相当高的速度不停地在运动。那么，要是光以太是静止存在于“绝对空间”之中，并且天体穿过它运行，这种运动的结果对于光以太来说必然是显著的，而且使用精密的光学仪器也一定能够验证“以太风”。
美国物理学家迈刻尔逊做了第一个实验。他出生于波兰，１８８１年曾在柏林和波斯坦做过亥姆霍兹的奖学金研究生。他的实验由于实验装置不够齐全，结果说服力不够强。６年以后，迈刻尔逊在美国使用亲自设计的高精度镜式干涉仪，同莫勒合作重复了他以前的实验。这台新式测试仪如此的精确，以致于仪器本身受“以太风”的影响都能清晰地显示出来。但是这次实验以及以后的多次反复实验，都没有看到那种现象。证明光速完全是恒定的、与光源和观察者的运动无关。“迈刻尔逊实验”是物理学史上最著名的实验之一，也是相对论的基本实验。爱因斯坦十分钦佩迈刻尔逊的实验技巧。
迈刻尔逊的实验得到的结果，是彻底否定了光以太的存在。一开始，人们还想使虚构的以太假说与光速恒定的事实一致起来，从而来“拯救”以太。１８９５年，荷兰物理学家洛仑兹假定，快速运动物体在运动方向上会产生机构收缩（“洛伦兹收缩”），为的是用这种方法在机械世界观范畴内把迈刻尔逊实验结果跟光以太和绝对空间捏合起来。这种设想尽管十分巧妙，毕竟是人为假想，不仅明显带有目的性假说的性质，而且从长远看来不会使理论物理学家满意。
迈刻尔逊的实验结果使理论物理学家陷入难以自拔的思维困境，又像是一个无法解开的死结，但它被年轻的爱因斯坦，以无畏的剑一下砍断了。
爱因斯坦在学生时代就已经从《自然科学通俗读本》深知光速的意义，从阿劳时期开始，一直在反复琢磨：倘若一个人以光速跟着光波跑，那将会看到什么结果呢？联想到麦克斯韦的电动力学和迈刻尔逊实验的否定结果以及马赫对牛顿力学基础的批判，正是在这个早先的理想实验中，相对论应运而生。在自传中，爱因斯坦这样记述着他的相对论的出发点：
“这样，人们搞清楚了物理学中某一事件与空间坐标的时间值的意义。”
对时间值的分析成为相对论研究的直接起点。爱因斯坦一开始就研究了同时性的概念。他的研究结果归纳如下：倘若有一种速度无限大的传递信号，那么在科学上是十分重要的，据此可以建立起相距遥远地方的两个事件的绝对同时性。不过，由于作为最大信号速度的光速是有限的，并且对所有的观察者而言又都是一样的，因而“绝对同时”没有什么物理意义，也丧失了理论依据。
所有涉及到时间的判断，往往是关于同时事件的判断。因而，同时概念的相对性导致时间概念的相对性，这是逻辑的必然。绝对同时不存在了，那么也不会再有绝对的、对所有参考系全都适用的相同时间。从而，每一参考系都有它自身的时间，即它的“参考系时间”。正如爱因斯坦后来发现的那样，整个问题的关键在于虚空的空间中光速是恒定的。假使承认这一恒定性（这点已被迈刻尔逊实验所证实），时间相对性就是不可避免的。
爱因斯坦的时间学说是崭新的，在他以前还没有一位物理学家或哲学家这样彻底地研究过同时性，并且得出这样深刻的结论。马赫要求，把物理学中无法由经验验证的荒唐的因素全部加以取缔。马赫的这一要求，导致爱因斯坦取缔牛顿“绝对时间”概念的想法。
由于时间和运动是彼此密切相连的，像马克思就说过，时间是“运动在量值方面的表现”。所以时间概念的相对论化，使“绝对运动”概念也失去了立足之地。一个物体或一参考系的运动，只有在与另一物体或参考系相比较而存在，并在其对比中数值也是适宜的。不存在什么“绝对运动”。爱因斯坦的“狭义相对论”认为，在相互作直线——非加速运动的所有参考系中，自然规律是同样有效。在它们之间，时间和空间值可以用“洛仑兹变换”这一特别的等式进行换算。１９０５年，爱因斯坦提出了相对论，他把作为光波载体的以太，从物理学世界中清除出去了。爱因斯坦认为，光以太原本只是物理学界的一个“幽灵”，他把独立的物理实体——电磁场请出来，坐在以太的位置上，这也是崭新的、勇敢的行动。尽管法国物理学家彭加勒在他之前就曾提过应该抛弃以太假说，但是他没能把这种动议变成新的自然观的基底。
“无以太物理学”乃是爱因斯坦思想的成果。
爱因斯坦在光的学说中引起的革命性进展，这种物理学中不存在以太的观点，即使当时著名的物理学家也长时间接受不了。就连洛仑兹，这位在狭义相对论酝酿阶段起过重要作用的科学家，直到１９２８年，还表示对光学现象没有以太作载体不完全理解。
如今，先以太假说也像燃素学说中所谓在燃烧过程中从物质里跑掉、名曰“火气”的东西一样，已经成为科学的史迹。它又像其他的科学假说那样，在特定的时期内为研究工作服务，一旦完成使命，即被送进科学谬误博物馆里去了。
抛弃光以太假说是一桩天才的破坏之作。在爱因斯坦取得的成就中，首先的建设工作是引进一个定律，即用C表示恒定的真空光速，把它纳入各种自然常数之列，运用到物理学的基本规律中去。
爱因斯坦首次发现，光速在力学和光学中同等重要。在那儿，光速仿佛是一切过程不可达到的最高临界速度，无论怎样把力施加上去，把能量传送上去，怎么也不可能达到或超越光速，无论给初速度附加多少速度，也是徒劳。根据光速恒定这一事实，引出了相对论的两个著名的“佯谬”，引起人们的广泛重视，也是多少年来激烈争论的焦点所在。陷于因袭的形而上学机械观中不能自拔的那些物理学家、哲学家，都曾经坚决反对过或者无情地嘲讽过相对论的这些“荒诞无稽”的结论。即使那些想沿着爱因斯坦所开辟的崭新道路共同前进的人们当中，也有一部分在相对论上难于跟上爱因斯坦的脚步。
其中一个“佯谬”便是快速运动着的一把尺子，它跟静止状态相比，在运动方向上长度缩短了。这个问题是从迈刻尔逊实验结果提出来的，后来形成了洛仑兹的机械收缩假说。爱因斯坦认为，这种收缩可以用两个参考系之间存在着的相对速度来解释。
另一个“佯谬”是在快速运动的参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走得慢了。这涉及到“时间膨胀”，也叫做时间延伸或时间失真。根据这一佯谬会得出诸如这样的结果：一个乘高速宇宙飞船长时期在太空遨游的人，当他返回地球地面时，与一直留在地球上的他的孪生兄弟相比，他应该年轻得多。这是因为宇宙飞行员的生物钟以及他的一切生理过程，比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物钟佯谬和孪生兄弟佯谬产生的效应显现出来的话，宇宙飞船的速度一定要十分接近光速；可是这一条件与现实宇宙飞行的条件相距甚远。
只要相对时间膨胀得不到实验证明，激烈的争论就不可能中断。不过在３０年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证实了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。由于宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。
１９０５年，爱因斯坦的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑，这是自然科学史上的一次大变革，也是辩证法在物理学基础中的胜利。它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度。牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律。牛顿的形而上学观点方法，尽管是当时所公认的定律，但是由于物理学的发展，碰到了无法逾越的鸿沟。爱因斯坦运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍，并为物理学的进一步发展开辟了道路。在爱因斯坦以前，虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题，然而爱因斯坦的功绩仍是不可低估的。
只有个别物理学家能够当即把爱因斯坦的理论看作是一个天才的发现。当时著名的理论家中，普朗克首先称赞爱因斯坦的《论动体电动力学》一文具有划时代的意义。普朗克在一次演讲中说：爱因斯坦时空观的“勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大胆成果”。确实有不少著名的专家，在很长一段时间里，对爱因斯坦的学说抱怀疑态度，其中尤以实验研究家居多。
有意思的是，曾在联邦工业大学任教做过爱因斯坦老师的数学家明可夫斯基，却是相对论的热烈拥护者。当年爱因斯坦经常逃课，明可夫斯基骂他“懒胚”。“懒胚”学生不去上老师的课，老师现在却热心学起学生的论文来。明可夫斯基把自己的助教和学生叫来，他花了好几个小时，给他们讲相对论。他说，真没有想到，爱因斯坦这个小伙子能写出这样深刻的论文。教授顺便也提到了自己的想法。他的想法同样是非常深刻的。那是一种真知灼见，是一种美妙的数学方法。经过明可夫斯基的数学处理，狭义相对论的形式更完美了，而且指明了广义相对论的道路。
明可夫斯基的论文在１９０７年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第８０届年会上，他做了一个著名的报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，他说了一段著名的话：
“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实存在的只有空间和时间的统一体。”
明可夫斯基的报告引起了巨大反响。可惜３个多月后，疾病就夺去了他年仅４４岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：
“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”
由狭义相对论可得出两个重要结论，涉及质量和运动、质量和能量的相互关系。显然，目的就是阐述这些问题的辩证关系。爱因斯坦对这些问题的解决，其意义远远超出狭窄的学术专业范围。
在爱因斯坦之前，惯性质量，即物体对运动的惯性阻抗被认为是一个不可改变的量。这符合牛顿形而上学的机械自然观。１８９５年，奥斯瓦尔德在吕贝克自然科学家大会的报告中还提出质量不变的经典观点。时过不久，１９０１年实验物�