話說在1905年，有個26歲的瑞士專利局的三級技術員接連發表了四篇具有開創性的論文，後來的他成為了一代巨匠，物理學史上前二的科學家，他就是愛因斯坦。

而愛因斯坦最被後人津津樂道的成果是相對論。1905年這一年，愛因斯坦發表了狹義相對論，這個理論有點類似於歐幾里得的幾何學，僅僅利用幾條公設，就建立了一套理論體系。歐幾里得幾何學有五條公設。

他通過這五條公設創立了平面幾何學。而愛因斯坦創立狹義相對論也用到了兩條假設：

• 相對理性原理（也可以叫做伽利略變換）
• 光速不變原理

而其中最大的突破其實來自於後面這一條“光速不變原理”，那愛因斯坦為何會提出這條假設呢？

牛頓 vs 麥克斯韋

其實這件事就要從牛頓開始說起，在牛頓之前，物理學並沒有發展出一整套集大成的理論。而牛頓改變了這一切，他提出了牛頓三大定律，以及萬有引力定律，讓我們知道天上和地上是遵循同一套物理規律的。

不僅如此，牛頓開創了一個新紀元。從這時起，科學理論可以非常精確地描述宇宙萬物的運行。就拿牛頓來說，他的理論不僅可以很準確地描述太陽系內部各個天體的運動，甚至還能用這個理論做預言。科學家僅僅用筆和紙就計算出了海王星的位置，而在此之前發現新的行星都是依靠實際觀測，可以說這是一個很大的進步。

在牛頓的體系中，他部分引用了伽利略的理論，尤其是伽利略變換。這其實來自於伽利略的一個思想實驗，伽利略現象如果有一艘封閉的船，船開得特別平穩，那麼在船裡面的人是沒辦法感受到船在不在動的。

其實類似的事情還有很多，比如，我們平時做高鐵時，如果旁邊也有高鐵，這時候，其中一個高鐵動了，我們是很難察覺到底哪個高鐵動了。

而這有什麼用呢？

我們來舉一個簡單的例子，假設有一輛小車，車上有個小人。如果小車以10m/s的速度運動，而小人相對於車子以5m/s的速度與汽車同向運動。（如下圖所示）

那這個時候，如果有個地面觀測者，他看到小人的速度就是車速+人運動的速度，也就是10+5=15m/s。這其實是一個很簡單的速度合成問題，很符合我們直覺，看起來也沒有什麼毛病。

可是，隨著時間的推演，問題也就出現了，牛頓之後100多年，出現了一位和牛頓可以相提並論的科學家，他就是麥克斯韋。

在麥克斯韋時代，電和磁的現象是一個遲遲無法得到解決的問題。而麥克斯韋就厲害在，他提出了麥克斯韋方程，統一了“電”和“磁”。

他還預言了電磁波的存在，並且光就是一種電磁波。

沒過多久，赫茲利用實驗證明了麥克斯韋的理論。於是，麥克斯韋成為了電磁學理論的集大成者，與牛頓、後來的愛因斯坦在物理學史屬於同一級別的科學家。

麥克斯韋理論的地位如同牛頓力學一樣堅實，它可以解釋各種電磁學現象，所以成為了主流的科學理論。

不過，科學家們很快發現了問題，如果通過麥克斯韋方程進行求解，我們可以得到關於光速的表達式，

光速=1/ε0μ0，這當中有兩個常數，分別是：

• ε0叫做真空介電常數；
• μ叫做真空磁導率。

也就是說，通過麥克斯韋方程，我們得到的光速是一個固定值。而我們也知道，其實求一個速度，我們要先選定一個參考系，就如同上文的情況是以地面為參考系求解的。而光速的參考系是什麼？

當時，關於“光”本質的認識是，光是一種波。而我們知道，水波的傳遞其實是需要介質的，也就是水。

那光傳播是不是也需要介質，而這個速度是不是就是相對於這個介質的速度？科學家就把這個介質命名為以太。但是這其實只是理論上的假設，到底存在與否還是要靠實驗說話。於是，一群科學家加入到了尋找“以太”的競賽當中，其中不乏各種頂級的實驗物理學家。經過他們不懈的努力，終於證明了“以太”根本就不存在。其中最有名的一組實驗就是邁克爾孫莫雷實驗。

這些就出事了，如果“以太”不存在，那光速到底是相對什麼在運動？

當時的科學家很無奈，他們一直在尋求各種辦法。說到底，其實就是牛頓力學和麥克斯韋理論相互矛盾了，而矛盾的焦點就是光速問題。

劃時代的物理學

而當時有兩位科學家其實都很接近提出相對論，一個是洛倫茲，一位是龐加萊。他們都以各自不同地方式接近了狹義相對論，但都以失敗而告終。

或許這就是時代賦予這位年輕人的使命，當時愛因斯坦年僅26歲，他沒有老一代科學家的約束，他拋開條條框框直接提出：光速在任意慣性參考系下是不變的。也就是光速不變原理。

加上伽利略變換，以這兩條假設為基礎，提出了狹義相對論的整個框架。他的做法確實很顛覆，以至於剛提出這個理論時，很多科學家都接受不了。後來，楊振寧在自己的一篇文章《機遇與眼光》當中就談到了這件事，他說：

洛倫茲有數學，但沒有物理學；

龐加萊有哲學，但也沒有物理學；

正是 26 歲的愛因斯坦敢於質疑：人類關於時間的原始觀念。堅持同時性是相對的，才能從而打開通向微觀世界的新物理之門。