十九世紀的最後一天，歐洲著名的科學家們歡聚一堂。會上，英國著名物理學家開爾文爵士發表了新年祝辭。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩下的只是一些修飾工作。同時，他在展望二十世紀物理學前景時，卻若有所思地講到：“動力學理論肯定了熱和光是運動的兩種形式，現在，她那美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了，第一朵烏雲出現在光的波動理論上，第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-波爾茲曼理論上。”這兩朵烏雲宛如三體中的智子一樣，將當時的物理學領域完全封鎖，經典物理已經無法再前進一步，只有提出新的理論才能打破這個屏障。
光的波動性
對於十九世紀末期的物理學家來說，物理學已經發展到相當完美的程度，正如基爾霍夫所說的那樣：“物理學已經無所作為，往後無非是在已知規律的小數點後面加上幾個數字而已。”以經典力學，經典電磁場和經典統計學為三大支柱的物理大廈已經建成：經典力學有牛頓力學和伽利略變換，經典電磁場理論有麥克斯韋方程組，經典統計學有唯象熱力學和統計力學。這些理論似乎可以解釋當時的一切宏觀現象，然而，正當物理學家們沉浸在物理學領域取得的偉大勝利所帶來的喜悅時，一朵烏雲出現了。
1865年，英國物理學家麥克斯韋建立了一組描述電場，磁場，電荷密度與電流密度之間關係的偏微分方程，即麥克斯韋方程組。從中可以推導出電磁波在真空中以c=3*108m/s的速度傳播，同時做出了光是電磁波的猜想。這個方程組標誌著經典電磁理論的完成，揭示了電場與磁場的相互轉化，在物理史甚至人類的科學史上都佔據著重要的地位。
麥克斯韋方程組
19世紀的經典力學思想認為，機械波的傳播需要彈性介質。例如水波的傳播需要水作為介質，聲波的傳播需要空氣作為介質等等，可是作為電磁波的光是如何傳播的呢？光的傳播速度是以什麼為參考系呢？這是兩個極其重要的問題，當時的波動理論認為光是一種波，和水波相似，既然是波，那它的傳播就需要介質，但太空恰恰是一個接近真空的環境，沒有什麼物質可以作為介質，這就和當時的思想產生了巨大的衝突。這些問題令當時的物理學家們苦惱不已，難道是我們的物理支柱錯了嗎？不可能！因為這三大支柱不僅支撐著當時的物理學大廈，更支撐著所有物理學家們的信仰！又有誰敢於輕易懷疑自己的信仰呢？為了解釋這些問題，當時的物理學家們發展了“以太”學說，假定以太充滿整個宇宙空間，認為以太是光和引力傳播的介質。同時期，麥克斯韋電磁理論引入這個概念，認為以太是光和電磁波的傳播介質，沒有重量，可以絕對滲透，絕對靜止，一切運動都相對於它進行，光在“以太”中傳播的速度就是麥克斯韋方程組推導出的光速（即光速的參考系就是以太）。至此，物理學家們認為光的傳播問題已經得到解決，以太作為光，電，磁的共同載體概念被人們普遍接受。
這些理論令當時的人們肯定了以太的存在，但是有一個問題需要解決。
麥克斯韋方程組推導出的光速是以絕對靜止的以太為參考系的，既然以太充滿整個宇宙空間，而且絕對靜止，地球繞太陽運動，那麼在地球上測量光速，數值應該不是c。比如，把我們比做地球，空氣比作以太，小狗比作光，在一個無風的日子裡，我們以速度v1慢跑，在我們的旁邊有一隻小狗以速度v2跑過，如果小狗是和我們同方向的，在你看來，小狗的速度應該是v2-v1，如果是反方向的，則小狗的速度是v2+v1，這是伽利略變換的思想，也是經典力學的時空觀，即其它參考系所測量到的光速是“以太”中的光速與觀察者所在參考系相對於以太的速度的矢量差。也就是說，經典力學的時空觀認為光速在不同的參考系下是不同的。
伽利略速度的簡單變換，注意這是建立在絕對時空觀上的，和相對論有很大區別
當時的人們為解決這兩個問題進行了大量的實驗，可是，光速的變化未被探測到，科學家們認為是儀器精度的原因，很少人懷疑是以太理論本身的問題。
美國物理學家邁克爾遜作為光學測量領域的專家，一生都致力於光學儀器的發展和精確測量，對光學實驗和光學儀器所做出的重大貢獻，使他在1907年獲得了諾貝爾物理學獎。為了探測光速是否發生改變，1887年，他和莫雷合作，在克利夫蘭進行了一個實驗：“以太漂移”，實驗原理如下：
設光從分光鏡到M2然後返回的總時間為t1，光從分光鏡到M1然後返回的總時間為t2，按照當時的設想：如果不存在“以太”，則光速是相同的，那麼t1和t2是必然相等的；如果存在“以太”，根據伽利略變換，光速是不相同的，那麼t1和t2也是不相等的，兩者有一個時間差Δt1。這時將儀器整體旋轉90度，這時又會有一個時間差Δt2，由於旋轉所引起的時間差變化為Δt2-Δt1，根據當時的波動理論，光是一種波，如果到達觀測屏上的時間不同，那麼觀測屏上會形成明暗相間的干涉條紋，時間差的變化會導致干涉條紋發生移動，但結果卻是：實驗在一年四季（觀察地球的公轉效應）和白天黑夜（觀察地球的自轉效應）進行，干涉條紋未發生任何變化。
“以太漂移”實驗原理圖
當時，他們設計的儀器精度非常高[實驗儀器已經能測量到“二級”效應,即（v/c）²]，但結果卻是否定的，這令當時的科學工作者們惶恐不安，“以太”被否定了嗎？光速沒有發生變化，伽利略變換失效了嗎？經典力學的時空觀是錯誤的嗎？如果是這樣，那就等於否定了他們之前所做的一切啊！這對當時的科學領域造成了巨大的打擊。後來，實驗被重複了許多次，但結果是相同的，這一朵巨大的烏雲開始籠罩在物理學的上空，這個領域變的陰暗起來，利劍何時才能劃破烏雲帶來光明？
為了在以太的理論框架下解釋這些實驗的結果，斐茲傑惹和洛倫茲先後於1889年和1892年獨立提出洛倫茲-斐茲傑惹收縮假定,即物體運動時，在運動方向上會發生收縮。如上圖中，假設儀器在“以太”中的速度是向右的，那麼分光鏡和反光鏡M1之間的距離會減小，而垂直於速度方向上不發生收縮，即分光鏡和反光鏡M2之間的距離不發生改變。引入這個效應之後，經過數學計算，發現實驗結果是合理的，這樣就不能否定“以太”了，因為當時的設想是：不存在“以太”，條紋不發生移動；而現在是：存在“以太”，但是儀器發生了收縮效應，從而干涉條紋不會發生變化。
這個理論成功解釋了實驗的結果，在當時的條件下，用如此簡單的假定就可以擺脫以太理論的困境，至今仍閃耀著睿智的光輝。
但是，洛倫茲認為，這種收縮是真實發生在物質上的，現在看來，這種觀點是不正確的。而且，將以太作為電磁場方程的特定慣性系在運用時非常麻煩。
1904年，洛倫茲基於收縮的假定和“地方時”的引入，建立了洛倫茲變換方程，但他仍然堅信以太的存在，因而未能從物理上對這組方程做出正確的解釋，也就是說，這組變換隻有數學上的意義，不具有狹義相對論的時空觀。
非常遺憾！
但不可否認的是，洛倫茲所做的工作是偉大的，他為後來者提供了新思想和數學基礎，完善後的洛倫茲變換成為了狹義相對論中的核心方程，正如尼古拉.特斯拉所說的那樣：科學工作者不應把目光瞄準一個立即的結果，他並不期待他的先進想法被樂意地採用，他的工作就像是為未來而耕作，他的責任是為後繼者打下基礎和指出道路。
毫無疑問，他做到了！
“我們時代最偉大，最高尚的人！”愛因斯坦如此評價這位良師益友。
洛倫茲參加索爾維會議（前排左四）
1905年6月30日，愛因斯坦在德國萊比錫權威期刊《物理學紀事》上發表了第一篇關於狹義相對論的論文《論動體的電動力學》，這標誌著一位手持利劍的勇士出現了！他在論文中沒有引用任何參考文獻，幾乎以一己之力建立了狹義相對論的框架。
所謂狹義，就是這個理論所採用的參考系都是慣性參考系，所謂慣性參考系，即靜止或做勻速直線運動的參考系。
狹義相對論提出兩條假設：
⑴相對性原理。即一切慣性系對於描述物理現象來說都是等價的，物理定律（除引力外）對於一切慣性系都應採取相同的數學形式。
⑵光速不變原理。即在一切慣性參考系中所測得的光速是相等的。
關於相對性原理：比如有一個封閉的空間，距離大質量物體比較遠，這樣可以保證不受引力的影響。你被安置在其中，這時你將一個小球拿過頭頂然後丟下，以封閉空間為參考系，這時你會看到小球向下運動，落到底部，在你休息後，這個封閉空間開始做勻速運動，等你醒來，仍然做前面的那個實驗，那麼實驗結果與上次實驗的結果是相同的。在這裡，兩次實驗分別以靜止和勻速運動的封閉空間為參照，這個封閉空間就是慣性參考系。
關於光速不變原理：假如有一輛勻速運動的火車速度為v，這時，作為乘客的你拿出一個手電筒向前照去，那麼在車上測得光速是c，這時你會想，如果在地面上測量這個速度的話，根據伽利略變換，這個速度應該是c+v，因為火車運動給了光一個速度v。但是事實卻是：光速仍然是c，和在車上測量的結果相同。
根據相對性原理和光速不變原理可以重新推導出洛倫茲方程，相對性原理指出物理定律在所有慣性系都是等價的，這樣就可以放棄作為絕對參考系的“以太”，如果“以太”不存在，那麼“以太漂移”實驗就不需要解釋了，根據光速不變原理，這個實驗反映的就是真實自然的結果。
關於光傳播的介質問題，1905年，愛因斯坦解釋發現的光電效應現象時，認為光波同時具有波和粒子的雙重性質。這樣，把光當作具有波性質的的粒子，光的傳播就更加不需要“以太”這種介質了。而事實就是：光的傳播不需要任何介質。
利劍出鞘，烏雲消散！
耳熟能詳的公式，狹義相對論的推論之一
愛因斯坦，相信大家看到這個名字並不感覺陌生，多多少少對他都有一些瞭解，那就說一些關於他創建狹義相對論的事情吧。
當時的他，已經是兩個孩子的父親，在思考“以太”等問題的同時，還要分出很大的心思盡著作為父親的責任，科學研究是一項十分艱苦的工作，龐大的腦力勞動足以讓一個普通人痛苦不堪，對於他，更是如此。困擾了許多大物理學家的“以太之謎”，縈繞在他心中已達十年之久，如果不是他那顆執著追求的心，恐怕早已放棄了吧！他堅信相對性原理是正確的，但是如果將相對性原理用於電磁理論，那麼必須承認真空光速c在所有慣性參考系相同，與波源的運動無關，這就和牛頓力學產生了尖銳的矛盾，所以必須要修正牛頓定律，改變牛頓的經典時空觀，但是建立一個新的理論何其艱難，這需要多麼大的勇氣！多少次的不眠之夜，多少次的運算失敗，多少次精神上的折磨，正如他所說過的那樣：“至於探索真理，我從自己不時撞入死衚衕的痛苦中探索認識到。在朝著真正有意義的事物方面每邁進一步，不管是多麼渺小的一步，都是難乎其難的。”
在另一個場合他說道：“那種遐思聯翩與懷著熱切的的奢望，信心與失望常年交織在一起的心情，以及最後向真理衝刺的的感情，所有這一切，唯有設身處地的人才能體會到。”
他究竟承受了多少！
無論多少，他都沒有放棄！
1905年，這一年愛因斯坦在德國萊比錫權威科學刊物《物理學紀事》連續發表五篇論文，文章質量之高，前所未有，其中有一篇就是關於狹義相對論的，還有一篇令他獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。而這一年，後來被稱為“愛因斯坦奇蹟年”。
他沒有止步。
接著，他根據狹義相對論兩條基本原理，推出同時性的相對性效應，時鐘延緩效應，尺縮效應，質量隨速度變化效應，質能關係等結論。
所有這些，從經典物理學和日常經驗來看，簡直是不可思議！現在看是如此，更何況是十九世紀時期呢！拋棄了“以太”，這在當時看來簡直就是“瘋狂”，正如勞厄在1911年所寫的一篇文章中講到的：自古至今的物理學問題，還沒有比得上空間和時間概念能對人們產生這樣巨大的震動。在這個理論中，時間和空間不再是獨立的，而是和運動的物質相聯繫的；時間和空間是運動物質的一種固有屬性等等，這些新思想不斷挑戰著人類思維的極限，沒有多少人能夠真正讀懂它。正因如此，對待這個開創了物理學史新紀元的理論，大部分人都持反對態度，論文發表後的幾年裡，幾乎沒有什麼反響。在此期間，愛因斯坦一度感到沮喪不已，承受了巨大的壓力，在推導出大名鼎鼎的質能方程後，他在給友人的一封信上寫到：“這一推論非常有意思，非常誘人。然而，在這裡，上帝是否在笑我，我是否在騙我，目前還不得而知......”
無比的失落！
直到1908年，才有大批科研工作者注意到他的研究成果。
狹義相對論建立至今已經有112年的歷史。一個理論的正確性需要用時間，用解釋自然現象的合理性，用各種實驗去驗證，這個理論也經受了112年的時光考驗。
狹義相對論的建立，改變了人們關於時間，空間，質量等原有觀念，它是物理學史上的一次革命，將人們的目光引入了宏觀高速領域。
生命短暫猶若露珠消散，人們在奔波中探尋答案。運數彷彿大海起伏不定。掌上迷離脈紋迴路漫漫。長劍在黑夜吟唱悲歌，歲月如斑駁銅鏡經年。天際流火叩響大地之門，歲月星辰刻畫滄桑年輪。縱橫交錯兮天下之局，誰能參悟兮世事如棋。
縱觀十九世紀的歷史長河，引用一位學者的感慨——迷惘與自信，保守與變革，遮天蔽日的烏雲，劃破天際的利劍，人類追求自然和真理的過程，註定曲折而又美麗！
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