当时的困境
麦克斯韦方程组算出光在真空中的速度是一个确定的数值。问题随即出现：相对于什么的速度？
在当时的物理学里，波必须在介质中传播——声波要空气，水波要水。于是人们假设宇宙充满一种叫”以太”的介质，光速指的是相对于以太的速度。地球绕日公转，速度约每秒 30 公里，穿行于以太之中应该感受到”以太风”，顺风与逆风方向的光速应有差异。
1887 年，迈克耳孙与莫雷用一台架在水银池上的干涉仪去测这个差异。仪器的灵敏度足以分辨预期效应的四十分之一。
结果是零。
补丁随之而来。1889 年菲茨杰拉德、1892 年洛伦兹各自提出：物体沿运动方向会收缩，收缩的比例恰好抵消掉光程差。这个假设能救以太，代价是它看起来完全是为了救以太而设——收缩为什么恰好是那个比例，没有解释。
庞加莱抓住的正是这一点。他在 1900 年前后反复指出：每当实验试图探测绝对运动，自然界总是安排一个新效应把它掩盖掉；与其说这是巧合，不如说绝对运动本身探测不到。1904 年他把这条陈述命名为”相对性原理”。
洞见时刻
1905 年 6 月，二十六岁的伯尔尼专利局三级技术员爱因斯坦提交了《论动体的电动力学》。全文没有一条引文，也没有提迈克耳孙-莫雷实验。
他的做法不是再打一个补丁，而是把两条陈述当作公设，然后看会付出什么代价：
- 物理定律在所有匀速运动的参考系中形式相同。
- 光在真空中的速度对所有观察者都是同一个值，与光源的运动无关。
代价是同时性。爱因斯坦花了论文开头整整一节讨论一件看似琐碎的事：怎样才算”两个异地事件同时发生”？答案是必须用光信号对钟。而一旦对钟的程序依赖于光速，不同运动状态的观察者就会对”同时”给出不同的判断。
其余结论随之而来：运动的钟走得慢，运动的尺子沿运动方向缩短，速度不能简单相加。洛伦兹收缩不再是以太作用于物体的动力学效应，而是时空的运动学性质——公式一样，含义完全不同。
以太不需要被证伪，它只是不再有任何用处。
三个月后，爱因斯坦补了一篇三页的短文，指出物体释放能量时质量会减少，即 。
庞加莱走到了哪里？ 很远。他 1905 年 7 月提交的《论电子的动力学》给出了洛伦兹变换构成一个群、修正了洛伦兹的公式、并提出引力也应以光速传播。他掌握了几乎全部数学。但他保留了以太，把它当作一个”方便的约定”，也没有放弃绝对时间——在他那里，运动系里的时间是一个便于计算的”局部时”，而不是那个系里真实的时间。差别不在公式，在于是否相信公式说的就是事实。
涟漪效应
1908 年，闵可夫斯基把这套理论翻译成几何：时间与三维空间合成一个四维流形，洛伦兹变换是其中的转动。他说从此空间与时间各自都将沦为影子。爱因斯坦最初嫌这是”多余的博学”，后来发现没有这套语言就写不出广义相对论。
1928 年，狄拉克为了让电子的波动方程满足相对论要求，得到了一个带负能解的方程——那是反物质的预言，1932 年被安德森证实。
更一般地，把狭义相对论与量子力学结合，得到的是量子场论；粒子物理标准模型的每一条方程都建立在洛伦兹对称性之上。
如果没有它
导航：GPS 卫星以每秒约 3.9 公里绕地飞行，星载原子钟因狭义相对论效应每天比地面慢约 7 微秒；广义相对论效应又让它每天快约 45 微秒。净效应 38 微秒听起来微不足道，但光在 38 微秒里走 11 公里——不做修正，定位误差每天累积约 10 公里，导航在几小时内就会失效。
加速器：大型强子对撞机里的质子速度达到光速的 99.9999991%，寿命极短的粒子因时间膨胀而能飞出可观的距离被探测到。设计磁铁与射频腔时用的是相对论力学，牛顿力学在这里错得离谱。
能量：太阳每秒把约 400 万吨质量转化为辐射，核电站与核武器释放的能量同样来自质量亏损。 不是一个比喻。