Ο Κοπέρνικος και μετά απ' αυτόν ο Γαλιλαίος αντιτάχθηκαν στις μεταφυσικές «αιώνιες αλήθειες» του Αριστοτέλη, υποστηρίζοντας ότι η Γη κινείται. Ο Γαλιλαίος, μάλιστα, διατύπωσε μια θεμελιώδη αρχή, που πήρε το όνομά του και σύμφωνα μ' αυτή αν βρίσκεστε σε έναν κλειστό θάλαμο που κινείται ευθύγραμμα και ομαλά είναι αδύνατο να αντιληφθείτε αν κινείστε ή όχι. Κι αν από ένα παράθυρο βλέπατε έναν άλλο θάλαμο δε θα ξέρατε αν κινείται εκείνος ή ο δικός σας. Με άλλα λόγια, όλες οι ευθύγραμμες ομαλές (μη επιταχυνόμενες ή επιβραδυνόμενες) κινήσεις είναι σχετικές. Τους νόμους της κίνησης και τους σχετικούς μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου στη βάση της παραπάνω αρχής γενίκευσε ο Νεύτωνας. Ωστόσο, το νευτώνειο σύμπαν παρέμενε προσδιορισμένο στη βάση ενός απόλυτου συστήματος αναφοράς στο χώρο και στο χρόνο.

Στις αρχές του 19ου αιώνα, όμως, παρουσιάστηκε ένα πρόβλημα, που δεν μπορούσε να εξηγηθεί από τη νευτώνεια μηχανική. Το φως, ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός άρχισαν να γίνονται κατανοητά σαν εκδηλώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Παράλληλα, διαπιστώθηκε η κυματική πλευρά της φύσης του φωτός. Αφού το φως είναι κύμα, σκέφτηκαν οι επιστήμονες της εποχής, πρέπει να υπάρχει κάτι, διά μέσου του οποίου ταξιδεύει αυτό το κύμα, όπως συμβαίνει με όλα τα άλλα είδη κυμάτων. Ετσι επινόησαν τον «αιθέρα», ένα παράξενο υλικό, που υποτίθεται ότι είχε τη σκληρότητα του ατσαλιού, αλλά ήταν ταυτόχρονα αρκετά ...αιθέριο, ώστε να μπορεί να το διαπερνά η Γη και τα άλλα ουράνια σώματα χωρίς να επιβραδύνονται. Κατά τη θεωρία, ακόμα και τα ίδια τα άτομα της ύλης ήταν αιθέρας. Ομως, αν ο αιθέρας διαπερνούσε τα πάντα, τότε και μέσα στον κλειστό θάλαμο του Γαλιλαίου θα μπορούσε να ανιχνευτεί η ροή του, άρα και η κίνηση του θαλάμου, παραβιάζοντας την αρχή του Γαλιλαίου.

Επινοήθηκαν διάφορα πειράματα για την απόδειξη της ύπαρξης του αιθέρα, με διασημότερο ίσως το πείραμα Μάικελσον - Μόρλεϊ, όμως το αποτέλεσμα ήταν απογοητευτικό. Αρχισε να ωριμάζει η ιδέα ότι η βασική θεωρία για τον κόσμο έπρεπε να τροποποιηθεί, ώστε να γίνει συμβατή με μια νέα θεμελιώδη αρχή, σύμφωνα με την οποία και το φως έπρεπε να υπακούει στην αρχή του Γαλιλαίου. Ενας διάσημος επιστήμονας των αρχών του 20ού αιώνα, ο Ανρί Πουανκαρέ, πρότεινε το όνομα Αρχή της Σχετικότητας, χωρίς όμως να την περιγράψει. Ο γρίφος μεγάλωσε όταν οι εξισώσεις του Μάξουελ έδειξαν ότι ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο παράγει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που πάντα ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός, ανεξάρτητα αν η πηγή της ακτινοβολίας κινείται ή όχι. Πού οφείλεται αυτή η μοναδικότητα του φωτός;

Ο Αϊνστάιν σκέφτηκε να μην ασχοληθεί με τη φύση του φωτός (που ακόμα και σήμερα παραμένει ασαφής), αλλά με την ταχύτητά του, που του φαινόταν σαν το κλειδί για να επιλυθούν οι παραδοξότητες που αντιμετώπιζε η Φυσική του 1905. Ταχύτητα είναι το πηλίκο του διαστήματος διά του χρόνου. Αν η ταχύτητα του φωτός παρουσίαζε προβλήματα, ίσως έπρεπε να αναθεωρηθεί ο τρόπος που προσδιορίζουμε τις έννοιες του διαστήματος (του χώρου γενικότερα) και του χρόνου. Ανορθόδοξη σκέψη, αλλά εκεί βρισκόταν η ιδιοφυία του Αϊνστάιν, που άλλωστε δε δεσμευόταν από κάποια ακαδημαϊκή θέση για να ακολουθήσει την πεπατημένη.

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας αντικατέστησε τις απόλυτες και στατικές νευτώνειες έννοιες του χώρου και του χρόνου με τον δυναμικό και άμεσα σχετιζόμενο με την κίνηση χωρόχρονο. Παράλληλα, ενσωμάτωσε τον ηλεκτρομαγνητισμό όπως προσδιορίζεται από τις εξισώσεις του Μάξουελ και όλα αυτά χωρίς την ανάγκη «αιθέρα» ή κάποιου ανάλογου μέσου.

Η κατανόηση του κόσμου που προσφέρει η θεωρία του Αϊνστάιν στηρίζεται σε δύο αξιώματα: Το πρώτο, η αρχή της σχετικότητας, λέει ότι οι παρατηρήσεις των φυσικών φαινομένων από περισσότερους του ενός παρατηρητές που βρίσκονται σε διαφορετικά αδρανειακά συστήματα αναφοράς πρέπει να βρίσκονται σε συμφωνία ως προς τη φύση της πραγματικότητας (αδρανειακά είναι τα συστήματα που κινούνται με σταθερές ταχύτητες το ένα σε σχέση με το άλλο). Με άλλα λόγια, οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε κάθε αδρανειακό σύστημα αναφοράς.

Το δεύτερο αξίωμα, το αμετάβλητο της ταχύτητας του φωτός, προβλέπει ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό (c), είναι η ίδια για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές, ανεξάρτητα από την κατεύθυνσή του και δεν εξαρτάται από την ταχύτητα του σώματος που εκπέμπει το φως.

Βασισμένος σ' αυτά τα δύο αξιώματα, ο Αϊνστάιν προχώρησε σε νοητικά πειράματα, δηλαδή πειράματα βασισμένα στη γνώση των νόμων της φύσης, που λόγω του κόστους ή και της ίδιας της φύσης τους δεν ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν στο εργαστήριο. Τα αποτελέσματα σχεδόν όλων αυτών των πειραμάτων ήταν απρόσμενα και συνεχίζουν και σήμερα να προκαλούν έκπληξη, γιατί αντιβαίνουν στην καθημερινή εμπειρία των ανθρώπων, που αποκτάται βέβαια σε μη σχετικιστικές ταχύτητες. Να μερικά από τα συμπεράσματα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας:

• Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο γεγονότων εξαρτάται από τις σχετικές ταχύτητες των συστημάτων αναφοράς των παρατηρητών (διαστολή του χρόνου)
• Δύο γεγονότα που συμβαίνουν ταυτόχρονα σε διαφορετικά σημεία ενός συστήματος αναφοράς μπορεί να συμβαίνουν σε διαφορετικούς χρόνους σε ένα άλλο σύστημα αναφοράς (αποσυγχρονισμός του χρόνου)
• Οι διαστάσεις ενός αντικειμένου όπως μετριούνται από έναν παρατηρητή μπορεί να διαφέρουν από αυτές που μετρά ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε άλλο σύστημα αναφοράς (συστολή του μήκους κατά τη διεύθυνση της κίνησης)
• Το παράδοξο των διδύμων, σύμφωνα με το οποίο ο δίδυμος που θα ταξιδέψει με διαστημόπλοιο που τρέχει με ταχύτητα κοντινή σε αυτήν του φωτός, όταν επιστρέψει θα διαπιστώσει ότι ο αδελφός του θα έχει γεράσει περισσότερο απ' αυτόν
• Το παράδοξο της μακριάς σκάλας, σύμφωνα με το οποίο μια σκάλα που τρέχει με ταχύτητα κοντινή σε αυτήν του φωτός, χωράει μέσα σε ένα δωμάτιο με μήκος μικρότερο από το μήκος της σκάλας.

Γιατί δεν μπορούμε να ταξιδέψουμε πιο γρήγορα από το φως; Σύμφωνα με ένα ερμηνευτικό μοντέλο της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, η απάντηση είναι απλή: Επειδή δεν μπορούμε να ταξιδέψουμε ούτε πιο αργά απ' αυτό, επειδή, με άλλα λόγια, όλα τα πράγματα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός! Δεν πρόκειται για παραλογισμό. Η κίνησή σας με την ταχύτητα του φωτός καθώς διαβάζετε αυτό το άρθρο δε γίνεται στο χώρο, αλλά στο χρόνο. Γιατί ο χρόνος είναι μια τέταρτη κρυφή διάσταση, κοντά στις γνωστές από την εμπειρία τρεις διαστάσεις του χώρου. Αν ένα αντικείμενο παραμένει ακίνητο, τότε κινείται με την πλήρη ταχύτητα στη χρονική διάσταση, δηλαδή ο χρόνος ρέει με τον κανονικό ρυθμό. Αν ένα αντικείμενο κινείται στο χώρο, τότε αυτό το κάνει «κλέβοντας» ένα μέρος από την ταχύτητά του στο χρόνο, που έτσι ρέει πιο αργά. Αν χρησιμοποιήσει όλη την ταχύτητά του για να κινηθεί στο χώρο, τότε μένει στάσιμο στο χρόνο, δε γερνά. Αυτό το μοντέλο μπορεί να οπτικοποιηθεί με χωροχρονικά διαγράμματα, που απαλείφοντας τις δύο από τις τρεις διαστάσεις του χώρου, γίνονται εξαιρετικά απλά και κατανοητά (ένα εξαιρετικό εκλαϊκευτικό βιβλίο για την ειδική θεωρία, που περιγράφει αρκετά από αυτά τα διαγράμματα, είναι το «Εικόνες της Σχετικότητας», του Lewis Epstein, εκδόσεις Κάτοπτρο).

Αφού ο χώρος και ο χρόνος παραμορφώνονται σε υψηλές ταχύτητες, τότε καθετί που μετριέται σε τελική ανάλυση με χρήση διαστάσεων μήκους και χρόνου, όπως η μάζα και η ενέργεια, παραμορφώνεται επίσης. Δε χρειάζονται παρά μερικοί απλοί μαθηματικοί χειρισμοί πάνω στις εξισώσεις της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας για να προκύψει ο περίφημος τύπος ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας, E=mc², τον οποίο ο Αϊνστάιν δημοσίευσε μέσα στο 1905, μερικούς μήνες μετά τη δημοσίευση της ειδικής θεωρίας. Λόγω του τεράστιου μεγέθους του c, η μετατροπή έστω και μιας μικρής ποσότητας μάζας οδηγεί σε έκλυση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Κατά τη σχάση ενός ατόμου ουρανίου-235, τα άτομα βαρίου και κρυπτού που προκύπτουν έχουν αθροιστικά 0,1% λιγότερη μάζα από το άτομο ουρανίου. Αυτή η μικρή διαφορά είναι ικανή να προσφέρει την ενέργεια που απαιτούν η ατομική βόμβα και οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας.

Το εργαστήριο είναι το ανώτατο δικαστήριο της φυσικής. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας δοκιμάστηκε, αμφισβητήθηκε, βασανίστηκε από χιλιάδες λαμπρά μυαλά στον ένα αιώνα που πέρασε από την εμφάνισή της και σήμερα αποτελεί μια από τις πιο επιβεβαιωμένες θεωρίες, με δεκάδες προβλέψεις που διαπιστώθηκαν πέραν κάθε αμφιβολίας τόσο στους επιταχυντές υποατομικών σωματιδίων, όσο και στο χώρο της αστρονομίας και της αστροφυσικής. Μας έδωσε μια ευρύτερη αντίληψη για τον κόσμο, που περιλαμβάνει τη νευτώνεια μηχανική σαν ειδική περίπτωση όταν οι ταχύτητες των σωμάτων είναι σημαντικά μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Η ίδια η ειδική θεωρία είναι υποπερίπτωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, που ο Αϊνστάιν δημοσίευσε 11 χρόνια αργότερα δίνοντάς μας μια ακόμα πληρέστερη εικόνα του κόσμου.