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飛躍——從經典物理到相對論
在20世紀的世紀之交時，著名物理學家湯姆孫提出，物理科學的大廈已經基本完成，明朗的天空中還有兩朵令人不安的烏云，一個是與黑體輻射有關，另一個則與光的速度有關。當光速問題的烏云散盡，迎來的是相對論的曙光，物理從此完成了一次質的飛躍，來到了一片前所未有的廣闊天地。
經典物理的發展經歷了一個漫長的過程，17世紀，伽利略率先打破亞里士多德的觀點，總結出了自由落體的距離與時間平方成正比的關系，以及著名的斜面理想實驗來思考運動的問題。隨后慣性定理由笛卡爾完成，繼而，科學史上的一位巨人提出了牛頓三大定律和萬有引力定律，建立了以牛頓力學為代表的經典力學體系，同時，物理學家在光和電磁方面取得了喜人的成就。然而，在科學不斷發展的過程中，經典物理逐漸顯出它的局限性。當物體運動的速度比真空中的光速小得多時，質量、時間和長度的變化很小，可以忽略，經典力學完全適用。但如果物體運動速度可以和光速相比較時，質量、時間和長度的變化就很大，經典力學就不再適用。物理學研究深入到微觀世界，發現微觀粒子不但具有粒子的性質，還能產生干涉、衍射現象。干涉和衍射是波所特有的性質。也就是說微觀粒子具有波動性。這是經典物理學無法解釋的。天文觀測發現行星的軌道并不嚴格閉合，它們的近日點在不斷地旋進。這種現象稱為行星的軌道旋進。這是用牛頓萬有引力定律無法得到滿意解釋的。這些問題的提出都說明物理學急需新的理論來完善。
1801年，托馬斯·楊的雙縫干涉實驗表明光是一種波，既然是波，則需要一種載體，于是人們提出了以太這一介質，認為以太充斥整個宇宙，它是電磁波傳播是所需要的介質。這樣一個重要的問題被提出來：以太相對于地球是否運動?科學界認為比較合理的設想是：以太相對于牛頓所說的“絕對空間”靜止，因而在絕對空間中運動的地球，應該在以太中穿行。19世紀中葉，麥克斯韋繼承利用以太傳播光和電磁現象的以太力學模型，總結已發現的各種電磁現象規律，推導出了一組電磁場方程稱為麥克斯韋方程，建立了以場相互作用代替牛頓超距作用的電磁場論，成為了革命性的理論。1888年赫茲從實驗上發現了電磁波，為電磁場論提供了確實可靠的實驗證據，麥克斯韋電磁場論是對牛頓絕對時空觀的嚴重沖擊和挑戰。因為麥克斯韋電磁場方程不適用于以絕對時空為基礎的伽利略相對性原理，對伽利略變換不能保持其不變性和對稱性，而只適用于以靜止以太為標志的唯一優先坐標系，只對靜止以太坐標系保持其不變性和對稱性，由此導致了牛頓力學與麥克斯韋電動力學在相對運動上的不對稱性。其中最為明顯的，依據牛頓力學中的速度合成定律，光速必須受到光源或者觀察者運動狀態的影響，必須對相對運動具有明顯的方向性和相對性。邁克爾孫－莫雷實驗應用邁克爾孫干涉儀，通過測量光速沿不同方向差異來尋找以太參照系的主要實驗。若地球相對于以太運動，那么這種運動應該影響光相對于地球的速度，并且應產生一些可觀察的光學效應，使我們能確定地球相對于以太的運動。然而，這一實驗和其它實驗都表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是相同的，邁克爾孫－莫雷實驗實驗否定了特殊參考系的存在，這就意味著不存在以太，光速不依賴于觀察者所在的參考系。
愛因斯坦深受奧地利物理學家兼哲學家馬赫的影響。馬赫曾勇敢地批判占統治地位的牛頓的絕對時空觀，認為根本就不存在絕對空間和絕對運動，一切運動都是相對的。愛因斯坦接受馬赫相對運動的思想，認為以太理論和絕對空間概念應該放棄。他認為伽利略變換不等于相對性原理。他考慮了麥克斯韋電磁理論及相對性原理與伽利略變換之問的矛盾。認為“光速不變”和“相對性原理”比伽利略變換更基本。以此作為兩個基本假設提出了狹義相對論。這一新的物理學基礎，拋棄了絕對時間和絕對空間的概念，他認為，拋棄了絕對空間和絕對時間的概念后，“以太”的觀念就是完全多余的。
狹義相對論向人們展開了一種不同于經典力學的時空觀，在這種時空觀中，同時性時空的度量不再是絕對的，而是相對的。從相對論的基本假設入手，可以較為容易的得出一些結論。在一節高速行駛的列車車廂中央有一個光源，它發出一個閃光，照到前后兩壁，車內的觀察者認為閃光同時到達前后壁，而地面上的觀察者則認為光到達后壁，兩者不同時，進而可得出一個推論，即對于高速運動的觀察者來說，沿運動方向靠前一些的事件先發生，是所謂“同時”的相對性，而日常生活中，宏觀物體運動的速度遠小于光速，所以察覺不到這種相對性。根據同時的相對性則容易得出更讓人難以理解的結論，即鐘慢效應和尺縮效應。為了能更好的理解鐘慢尺縮，在這里用聲速做類比，相對光速測量來說，接近光速才是高速運動，而相對聲音測量來說，接近聲速就是高速運動了，如果一個鐘，以0.5倍聲速從原點遠去，一秒鐘時，它距離原點0.5聲秒距離報1秒，但這個事件我們在原點聽見，需要再過0.5秒，于是我們發現，在本地鐘1.5秒時，遠處的鐘報1秒，本地鐘3秒時，遠離的鐘報2秒，也就是我們在忽略信號傳遞時間時，誤以為遠去的鐘慢了。而且速度越快，鐘慢得越厲害。 再假設有一把尺長1聲秒，而我們的測量地面上有一無限長尺子固定不動，運動尺頭尾各有一個探測裝置，在探測到與地面某一尺刻度重合時，用聲音報出該刻度，我們在地面尺原點接收聲音。尺勻速運動逐漸遠離，當尺尾報0聲秒時，尺頭已經距離我們1聲秒，而這個距離，要1秒后我們才能收到；當尺尾到1聲秒距離時，尺頭到2聲秒，還是要在我們收到尺尾報1聲秒后1秒，我們才能收到尺頭報2聲秒，于是我們會直觀的認為，尺尾先到刻度，尺頭后到達它本應立刻到達的刻度，感覺好象遠離的尺，縮短了。而且運動速度越快，感覺短的越厲害。
狹義相對論是只限于討論慣性系情況的相對論。牛頓時空觀認為空間是平直的、各向同性的和各點同性的的三維空間——絕對空間，時間是獨立于空間的單獨一維（因而也是絕對的），即絕對時空觀。狹義相對論認為空間和時間并不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體，并不存在絕對的空間和時間。將真空中光速為常數作為基本假設，結合狹義相對性原理和上述時空的性質可以推出洛侖茲變換，對于任意事件P在S系和S’系中的時空坐標（x,y,z,t)、（x',y',z',t'),S'相對于S以平行于x軸的速度u做勻速運動，則有洛倫茲變換式：
x'=(x-ut)/√(1-u^2/c^2) y'=y z'=z t'=(t-ux/c^2)/√(1-u^2/c^2)
洛倫茲變換是兩條基本原理的直接結果，在洛倫茲變換下，麥克斯韋方程組是不變的，而牛頓力學定律則要改變，故麥克斯韋方程組能夠用來描述高速運動的電磁現象，而牛頓力學有一定的適用范圍，當u/c很小時，洛倫茲變換就成了伽利略變換，即是后者是前者在低速下的極限，故牛頓力學僅是相對論力學的特殊情形--低速極限。在狹義相對論中，雖然出現了用牛頓力學觀點完全不能理解的結論：空間和時間隨物質運動而變化，質量隨運動而變化，質量和能量的相互轉化，但是狹義相對論并不是完全和牛頓力學割裂的，當運動速度遠低于光速的時候，狹義相對論的結論和牛頓力學就不會有什么區別 。
相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規律的廣義協變形式，并建立了廣義協變的引力理論,而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念,給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為較為完美的科學體系。