运动的相对性
设想你开车旅行，你正在驾车行驶的高速公路很直、路面保持水平、十分平坦，汽车以60英里/小时（97公里/小时）的恒速行驶。你闭上了眼睛。显然你会感觉到自己不是在向前运动，而感到似乎处于静止状态。也许，事实上你就是这种感觉，这时尽管你肯定感到自己已放慢了速度。然而你再睁开眼睛，你就会发现两侧的树木和房屋以及道路在你眼前飞掠而过，你就又会确信自身确实处于运动状态。但上述现象令人深思，难道汽车果真处于静止状态以及车轮所过之处以60英里/小时的速度后移吗？尽管牛顿允许已考虑到这种可能性，但爱因斯坦直截了当地指出肯定存在这种可能性。事实上，他指出，世界上不存在任何“真实性”。对一个匀速运动的物体来说，我们只能说汽车运动是相对于地球而言，地球相对于汽车运动，或者说两者作相对运动（匀速一词非常重要，匀速意味着运动物体不加速、不减速、不转弯。如果物体作匀速运动，则应当可以用一种绝对的方法来测定其运动，其原因放到《广义相对论》中去谈到）。世上没有绝对运动，运动只是相对于另一物体或物体系而言。
我们接受相对论，或者更确切地说接受狭义相对论，因为这一理论阐述匀速运动这一特例（本书交替使用用来表示速度的两个词speed和velocity，尽管这两个词从技术角度看略有差异，后者带方向性，而前者则没有）。爱因斯坦于1905年提出相对论，这一理论有以下两个基本前提：
1．不能绝对地肯定某物体静止或作匀速运动。
2．无论光源对观察者作怎样的相对运动，光速（本文都指真空）为恒值。
下一节谈谈前提2的意义及其与前提1的关系。
光速的恒定性
19世纪末20世纪初，科学家们对运动相对论一直感到奇怪和费解。从某种角度讲，必定能以某种方法测定物体的绝对运动，如果可能存在这种方法，那么必定有一种可称为绝对静止的参考系，于是可依据这一标准来测量任何运动。但是哪儿会有绝对静止的物体呢？当时人们都知道地球自转（赤道上的自转速度为每小时1040英里或者1674公里），并绕太阳公转（公转速度为每小时65，870英里或106，000公里）。另外，太阳绕银河系中心公转的速度更高，而银河系以10倍于太阳的公转速度在宇宙中运动，因此，似乎可以肯定并不存在能用来测出天体绝对运动的任何“静止”的参考系。
但是，科学家还提出其他观点。他们认为宇宙充满了一种叫“以太”（希腊语是“燃烧”的意思）的看不见、摸不到的物质。这个词是根据亚里士多德为描述天体的物质而杜撰的。不能很容易探测到这种物质，但这种物质必然存在，是光波传输媒介。海洋波需要水来传播，声波需要某种物质来传播，同样，光也需要某种物质来传播光波。空间或真空并非真的空空如也，实际上，空间或真空充满传送光波的以太。
这种以太像波浪那样振动或者振荡，通过它携带光能。但是以太没有任何总体运动，也不改变位置。以太绝对不运动。它在整个宇宙中是固定的，神秘的，探测不到的。只是以太的振动总额达到光能而已。
由于以太以这种方式固定在宇宙中，因而可成为十分需要加以利用的“静止”参考系。但是如果不能设法将其看到、感到、听到、闻到、尝到或者探测到，又怎么能在实际中将其用于测量其他物体呢？
我们来看一下光，尽管探测不到以太，但是却可探测到将以太振动的光。这是一种以太的标记。从某种意义上讲，光波就是以太，犹如水在水面上的起伏运动叫水波，或者爆炸后空气分子的振动叫声波，光由以太波构成。如果没有以太，光就不存在，也就没有光的传播。
因此，尽管尚不能对照另一物体来测量某物体的运动（你无法确定哪个物体在真正运动），但是，对照固定的以太或者具体说来对照让以太振动的光是肯定可以测量物体的运动的。科学家们推断（正在开始用实验来证明这一点）光通过以太以恒速运动，无论一个星体是向着接近我们还是离开我们的方向移动，其通过以太的速度都相同，星体所造成的以太振动并不受星体运动的影响，因此，可将光速作为一种参考系，一个指向标，通过它就可以测量某物体或某观察者的绝对运动。
例如，如果某观察者向一束光走去（图1a），那么观测者测到的光速应大于静止不动的观察者所测到的光速，而如果某观察者向离开光束的方向走去（图1b），该观测者所测到的光速应小于静止不动的观察者所测到的光速。
在19世纪末以前，尚无法检验这种推断，因为那时还没有灵敏度很高的仪器来测量物体相对于以太的运动。基于这种运动的光速变化微不足道。然而，在19世纪80年代，利用一种名叫干涉仪的新研制的仪器，物理学家埃伯特·米切尔森和爱德华·莫利最终能检验以太假说。这一检验结果让世界震惊。在他们的所有实验中，米切尔森和莫利并未发现光速有任何差异。地球自转或者某物体在任何方向上相对于光束的运动，都改变不了光速的测量结果。不仅就源运动而言，而且就观察者运动而言，光速始终恒定。现在人们确认光速恒定不变是绝对的--这是爱因斯坦宇宙观中几乎绝无仅有绝对内容之一。光速为186，291英里/秒（299，792公里/秒），用符号c表示。
光速的恒定性促使科学家们十分怀疑充满以太的空间概念和绝对运动的测定能力。光速的恒定性似乎还违背基本逻辑和常识，如果一名棒球投手以速度p将球投向本垒板，而一名击球手挥棒以速度b击球，那么球的有效速度应当是p＋b（这里空气阻力和地球吸引力忽略不计）。这是很简单的两者速度相加的情况，如果这位投手“投掷”的是一束光而不是一个棒球，为什么应该有所不同呢？原理应该不一样吗？如果击球棒的速度仍是b，光速是c，当一束光遇到或通过击球棒时，那么测到的光速应该是p＋c（原文如此-编著），这个速度肯定大于光速。为什么测到的速度并没有增加？
爱因斯坦的推论是：也许棒对球速的影响小于我们的预计值，即这个值略小于b，当球速（或者任何运动物体的速度）增加时，击球棒的影响继续减弱。对于以日常速度运动的物体来说，例如掷球，或美国全国铁路客运公司的列车（但不是在客运高峰期），或最快的宇宙飞船，这种影响的减弱可忽略不计，速度似乎是两者相加。但随着球的运动速度接近光速，击球棒的速度对总速度的影响减为零，因而，b＋c变为0＋c，或者c，即光速，这些假设佐证了严谨的数学分析。
长度是多少
鉴于米切尔森和莫利作出上述发现，而他们本人又设法极力证明充满以太的空间概念和绝对运动，爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰惹提出，所有物体在它们的绝对运动方向上变得越来越短，这是他利用数学方法计算出来的，其缩短程度正好解释了米切尔森和莫利的零假设。物体长度随着运动产生缩短的概念就是著名的菲茨杰惹收缩（或菲茨杰惹-洛伦兹收缩，以后来进一步发展了这一假说的荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹命名）。这一收缩定律的公式指出，以速度v运动的某物体会以下列值缩短：
