關於光的性（xìng）質，還有很多謎，直到現（xiàn）在也無法用科學解釋。光是怎樣產生的？在（zài）空間如何傳播？光怎樣（yàng）從物（wù）質出現？光是什麽，是物（wù）質（zhì）、振動、還（hái）是純能？顏色是否為光必不可少？對於這許許多多的（de）問（wèn）題，科學已經作出了部分解釋，但歸根結底，這些問題尚未解（jiě）答。不過（guò），20世紀（jì）初，在人（rén）們了解光、研究光的過程中，帶（dài）來了（le）物理學的兩場革命，這就是相對（duì）論和量子（zǐ）論。為建立這兩個理論體係，許多科（kē）學家都作出了（le）重要貢獻，他們都是一些傑出的（de）物理學大師，其中最為突出的是（shì）愛因斯坦。
愛因斯坦的學生時代（dài）
艾伯特·愛因斯坦（tǎn）於1879年3月14日在（zài）德國小城烏爾姆出生，他的父母都是猶太人。愛因斯坦有一個幸福的童年，他的（de）父親是位平靜、溫順的好（hǎo）心人，愛好文學和數學。他的母親個（gè）性較強，喜愛音樂，並影響了愛因（yīn）斯坦，愛因斯坦從六歲起學小提琴，從此小提琴成為他的終（zhōng）生伴侶。愛因斯坦的父母對他有著良好的影（yǐng）響和家庭教育，家中彌漫著自由的精神和祥（xiáng）和（hé）的（de）氣氛。
和牛頓一樣，愛因斯坦年幼時也未顯出智力超（chāo）群，相反，到了四歲（suì）多還不會說話，家裏人甚至擔心他是（shì）個低能兒。六（liù）歲（suì）時他進入了國民學校（xiào），是一個十分沉靜的孩子，喜歡玩一些需要耐心和堅韌的遊戲，例如用紙片搭房子。1888年進入了中學後，學業也不突（tū）出，除了數學很好以外，其他（tā）功課都不怎麽樣，尤（yóu）其是拉丁文和希（xī）臘文，他（tā）對古典語言毫無興（xìng）趣。當（dāng）時的德國（guó）學校必（bì）須接受宗教教育（yù），開始時愛因斯坦非常認真，但當（dāng）他讀了通（tōng）俗（sú）的科學書籍後，認識到宗教裏（lǐ）有許多故事是不真實的。12歲時他（tā）放棄了對宗教的信仰，並對所有權（quán）威和社會環境中的信念產（chǎn）生（shēng）了懷疑，並發展成一種自由的思想。愛因斯坦發現周圍有一個（gè）巨大的自然世界，它離開人類獨立存在，就象一個（gè）永恒的謎。他看到，許多他非常尊敬和欽佩（pèi）的人在（zài）專心從事這項事（shì）業時，找（zhǎo）到了內心的自由和安寧。於是，少年時（shí）代的愛因斯坦就選擇了科學事業，希望掌握這（zhè）個自然世界的奧秘，而（ér）一旦選擇了這一道路，就堅持不懈地（dì）走了下去，從來沒有後悔過（guò）。
1895年，愛因斯坦來到瑞（ruì）士（shì）蘇（sū）黎（lí）世，準備投考蘇黎世的（de）聯邦工業大學，雖然他的數學和物理考得很（hěn）不錯，但其他科目沒有考好，學校校長推薦他去瑞士的（de）阿勞（láo）州立中學學習一年，以補（bǔ）齊功課。在阿（ā）勞州立中學的這段時光中使愛因斯坦感到快樂，他嚐到（dào）了（le）瑞士自由的空（kōng）氣和陽光，並（bìng）決心放（fàng）棄德國國籍。
1896年，愛因斯坦正式成為一個無國籍的人，並考進了聯（lián）邦（bāng）工業大學。大學期間，愛因斯坦迷上了物理學，一方麵，他閱讀（dú）了德國著名物理學家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鑽研了麥克斯韋的電磁理論（lùn）和馬赫的（de）力學，並經常去理論物理學教（jiāo）授的家中請教。另一方麵，他的大部分時間是去物（wù）理實驗室去（qù）做實驗，迷戀於直接觀察和測量。1900年，愛因斯坦大學畢業。1901年，他獲（huò）得了瑞士（shì）國籍。1902年，在他的朋友格羅斯曼的幫（bāng）助下，愛因斯坦終於（yú）在伯爾尼的瑞士聯邦專（zhuān）利局找到了一份穩定的工作——當技術員。
狹義相對論的創立
早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光（guāng）是以很快速度前進的電磁波，他產生了一個想法，如果一個人以光的速（sù）度運動，他將看到一幅什麽（me）樣的世界（jiè）景象呢？他將看不到前進的光，隻能看（kàn）到在空間裏振蕩著卻停滯不（bú）前的電磁場。這種事（shì）可能發（fā）生嗎？
與此相聯係，他非常想探討與光波有關的所謂以（yǐ）太的問題。以太這個名詞源於（yú）希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀，笛卡（kǎ）爾首次將它引入科學，作為傳播光的媒質。其後，惠更斯進一步發展了以太學說，認為荷載光（guāng）波的媒介物是以太，它應該充滿包（bāo）括真空在內（nèi）的全部空（kōng）間，並能滲透到通常的物質中。與惠（huì）更斯的看法不同，牛頓提（tí）出（chū）了光的（de）微粒說。牛頓認為，發（fā）光體發射（shè）出的（de）是以（yǐ）直線運（yùn）動的微粒粒子流，粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說占了（le）上風，然而（ér）到（dào）了19世紀，卻是波動說占了絕對優勢，以太的學說也因此大大發展。當時的看法是，波的傳播要依（yī）賴於媒質，因為光可以在真空中（zhōng）傳播，傳播光波的媒質是充滿（mǎn）整個空間的以太，也（yě）叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發展，經過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學，並從理論與實踐上將光和電磁現象統一起來，認為光就（jiù）是一定頻率範圍內的電磁波，從而將光的波動理論與電磁理論統一起來。以太不僅是光波的載體（tǐ），也成了電磁場的載體。直到19世紀末，人們企圖尋找以太，然而從未（wèi）在實驗中發現以太。
但是，電動力學遇到了一個重大的問題，就是與牛頓力學所遵從的相對性原理不一（yī）致。關於相對性原理的（de）思想，早在伽利略和牛頓時期就已經有了。電磁學的發展最（zuì）初也是納（nà）入牛頓力學的框架，但在解釋運動物體的（de）電磁過程時卻遇到了困難（nán）。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一（yī）個恒（héng）量，然而按照牛頓力學的速度（dù）加法原理，不同慣性係的光速不同，這就出現了一個問題（tí）：適用於力學的相對性原理是否適用於電磁學？例如，有兩輛汽（qì）車，一輛向你駛近，一輛駛（shǐ）離。你看到前一（yī）輛車的燈光（guāng）向（xiàng）你*近（jìn），後一輛車的（de）燈光遠離（lí）。按照麥克斯（sī）韋的理論，這兩種光的速度相同，汽車的（de）速度在其中不起作用。但根據伽（gā）利略（luè）理論（lùn），這兩項的測量結果不同。向你駛（shǐ）來的車將發出的光加速，即前車的光速=光速（sù）+車速；而駛離車的（de）光速較（jiào）慢，因為後車的光速（sù）=光速-車速。麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖。我們如何解決這（zhè）一分歧呢？
19世紀理論物理學達到了巔峰狀（zhuàng）態，但（dàn）其中也隱含著巨大的危機。海王星的發現（xiàn）顯示出（chū）牛頓力學無比強大的理論（lùn）威力，電磁學與力學的統一使物理學顯示出（chū）一（yī）種形式上的完整，並被譽為“一座莊嚴雄偉的建築體（tǐ）係和動人心弦的美麗的廟堂（táng）”。在人們的心（xīn）目中，古典物理（lǐ）學已經達到了近乎完美（měi）的程度。德國（guó）著名（míng）的物（wù）理學家普朗克年輕時曾向他（tā）的（de）老師（shī）表示（shì）要獻身於理論物（wù）理（lǐ）學，老師勸（quàn）他說：“年輕人，物理學是一門已經完成了的科學，不（bú）會再有（yǒu）多大（dà）的發展了，將一生獻給這門學科，太可惜了。”
愛因（yīn）斯坦似乎就是那個將構（gòu）建（jiàn）嶄新的物理學大廈的人。在伯爾尼專利（lì）局的日子裏，愛（ài）因斯坦廣泛關注物理學界的前沿動態，在許多問題上深（shēn）入思考（kǎo），並形成了自己獨特的見解。在十年的探索過程中，愛（ài）因斯坦（tǎn）認真（zhēn）研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經過赫茲（zī）和洛倫茲發展和（hé）闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正（zhèng）確的（de），但是有一個（gè）問題使他不安，這就（jiù）是絕對（duì）參照係以太的存在。他閱讀了許多著作（zuò）發（fā）現，所有人試圖證明以（yǐ）太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦（tǎn）發現，除了作為絕對參照係和電磁（cí）場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經沒有實際（jì）意（yì）義。於是（shì）他想到：以及絕對參照係是必要的嗎？電磁場一（yī）定要有荷載物嗎？
愛因斯坦喜歡閱讀（dú）哲學著作（zuò），並從哲學中（zhōng）吸收思想營養，他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原（yuán）理已經在（zài）力學中被廣泛（fàn）證明，但在電動力學中卻無法成（chéng）立，對於物理學這兩個理（lǐ）論體係在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認為，相對論原理（lǐ）應該普遍（biàn）成立，因此電磁理論對（duì）於各個慣（guàn）性係應該具有同樣的形式，但（dàn）在這裏出現了光速的問題（tí）。光速是不（bú）變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍（biàn）成立的（de）首要問題。當時的物理學家一般都相信以太，也就是相信存在著絕（jué）對參照係，這（zhè）是受到牛頓（dùn）的絕對空間概（gài）念的影響（xiǎng）。19世紀末（mò），馬赫在所著的《發展中的力（lì）學》中，批判（pàn）了牛（niú）頓的絕對（duì）時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印（yìn）象（xiàng）。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個（gè）朋（péng）友貝索討論（lùn）這個已探索（suǒ）了（le）十年（nián）的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩（liǎng）人討論了很久。突然，愛因（yīn）斯坦領（lǐng）悟到了什麽（me），回（huí）到家（jiā）經過反複思考，終於（yú）想明白了問題。第二天，他又來到（dào）貝索家，說：謝謝你（nǐ），我的問題解決了。原來愛因斯坦想清（qīng）楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度（dù）有一種不可（kě）分割的聯係（xì）。他找到了開（kāi）鎖的鑰匙，經過五個星期的努力工作，愛因斯坦把（bǎ）狹義相對論呈現在人們麵前（qián）。
1905年（nián）6月30日，德國（guó）《物理學年（nián）鑒》接受了愛因斯坦的（de）論文《論動體的電（diàn）動力學（xué）》，在同年9月的該刊上發表。這篇（piān）論文（wén）是關於狹義（yì）相對（duì）論的第一篇文章（zhāng），它包含了狹義相對論的基（jī）本思想和基本內容。狹義相對（duì）論所根據的是兩條原理：相對性原（yuán）理和（hé）光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點，是他（tā）堅信（xìn）相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理（lǐ）的思想，但他沒（méi）有（yǒu）對時間和空間給出過明確的（de）定義。牛頓建立力學體係時也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動，在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展（zhǎn）了相對性（xìng）原理，在他看來，根本（běn）不存在絕對靜止的空間，同樣不存在絕對同一的時間，所有時間和空間都是（shì）和運動（dòng）的物體聯係在一起的。對於（yú）任（rèn）何一個參照（zhào）係和（hé）坐標係，都隻有屬於這個參照（zhào）係和（hé）坐標係（xì）的空間和時間。對於（yú）一（yī）切慣性係，運用（yòng）該參照係的空間和時間所表達（dá）的物理規律，它們的形式都（dōu）是相同的，這就是相對性原理，嚴格地說是狹義（yì）的相對性原理。在（zài）這篇文章中，愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本（běn）原理的根據，他（tā）提（tí）出光速不變是（shì）一個大膽的假設，是從電磁理論（lùn）和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太（tài）與電（diàn）動力學問題的結果，他從（cóng）同時的相對性這一點作為突（tū）破口，建立了全新的時間和空間理論（lùn），並在新的時空理論基礎上給動（dòng）體的電動力學（xué）以完整的形式，以（yǐ）太不再是必要的，以太漂流（liú）是不存（cún）在的。
什麽（me）是同時性的相對性？不（bú）同地方（fāng）的兩個事件我們何以（yǐ）知道它是同時發生（shēng）的呢？一般來說（shuō），我們會通過（guò）信號來確認。為了得（dé）知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度，但（dàn）如何沒出這一速度呢？我們必須測出兩地（dì）的空間距離（lí）以及信號傳遞（dì）所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在於測量（liàng）時間，我們必須假定兩地各有一隻已經對好（hǎo）了的鍾（zhōng），從兩個鍾的讀數可以知（zhī）道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鍾對好了呢？答案是還需（xū）要一種信號。這個信（xìn）號能否將鍾對好？如果（guǒ）按（àn）照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣（yàng）無窮後退（tuì），異地的（de）同時（shí）性（xìng）實（shí）際上無法