زمانی که اینشتین ، هنگام تحصیل در پلی تکنیک ، با معادلات ماکسول آشنا شد ، با شگفتی دریافت که امواج ساکن، جواب این معادلات نیستند. در واقع ، معادلات ماکسول پیش بینی میکنند که نور بایستی بدون در نظر گرفتن اینکه چقدر مشاهده کننده سرعت میگیرد تا به آن برسد ، با سرعت ثابتی حرکت کند. حتی اگر انسان ، با سرعت بسیار زیادی ، حرکت کند ، باریکه ی نور با همان سرعت ثابت خود ، از او جلوتر خواهد بود. امواج نور هیچ گاه نمیتوانند به صورت ساکن دیده شوند.(حتی موقعی که شما با سرعت خود نور ، موازی با باریکه نور حرکت کنید، نمیتوانید بایکه نور را ساکن ببینید.)
ابتدا این موضوع بسیار ساده به نظر می آید. بر اساس معادلات ماکسول، یک دانشمند در روی زمین و یک دانشمند که در یک فضاپیما با سرعت بسیار زیاد جای گرفته است ، هر دو همان سرعت را برای باریکه نور در نظر خواهند گرفت. شاید خود ماکسول، زمانی که این معادلات را در دهه ی ۱۸۶۰ مینوشت ، متوجه این موضوع شده بود. اما این تنها اینشتین بود که اهمیت استثنایی این واقعه را دریافت و به معنای آن که لزوم تغییر درک ما از زمان و مکان باشد ، پی برد.
در ۱۹۰۵ ، اینشتین بالاخره معمای نظریه ماکسول را، درباره نور حل کرد. با این عمل، او مفهوم مکان و زمان را که چندهزار سال ادامه داشت، دگرگون کرد.
برای طرح مسئله، فرض کنیم که سرعت نور ۱۰۱ کیلومتر بر ساعت است و یک قطار با سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کند. در این صورت باید نور و قطار تقریبا در کنار هم قرار گیرند. دانشمندی که در قطار نشته است باید سرعت ور را ، یک کیلومتر بر ساعت (۱۰۱ منهای ۱۰۰)اندازه بگیرد. او باید بتواند ساختار داخلی نور را به راحتی و با جزئیات، مشاهده کند.
اما طبق معادلات ماکسول ، دانشمندی که با سرعت ۱۰۰ کیلومتر در ساعت حرکت میکند ، سرعت نور را ۱۰۱ کیلومتر بر ساعت ، و نه یک کیلومتر بر ساعت، اندازه خواهد گرفت. چطور این امکان پذیر است؟ چطور این دانشمند میتواند بپذیرد که نور ، با آن سرعت حرکت کند ؟
راه حلی که اینشتین برای این مسئله پیشنهاد کرد، به ظاهر عجیب می آمد، ولی درست بود. او فرض کرد که ساعتها در قطار ، باید بسیار کندتر از ساعتهای روی زمین باشند و طول هر جسم در قطار، کوتاهتر میشود.(اتساع زمان وانقباض لورنتزی)
این بدان معناست که زمان برای مغز آن دانشمند در قطار، نسبت به مغز یک دانشمند در روی زمین مقداری کندتر میگذرد و این مقدار ، به قدری است که باعث میشود سرعت نور ، مانند اول حس شود.(چون سرعت با زمان رابطه معکوس دارد)
یعنی از دیدگاه شخصی که در روی کره زمین قرار دارد، باید دانشمندی که در قطار نشسته است ، سرعت باریکه ی نور را یک کیلومتر بر ساعت اندازه گیری کند ، اما چون مغز او ( و هر چیز که د آن قطار است) از لحاظ زمانی کندتر شده است ، و زمان با سرعت ربطه معکوس دارد ، سرعت باریکه نور را ۱۰۱ کیلومتر بر ساعت اندازه گیری میکند.
این نظریه نشان داد که مکان و زمان، جلوه هایی از یک موجودیت هستند که دانشمندان، آن را “فضا_زمان” مینامند. اما این نظریه ، نه تنها مکان و زمان را یگانه کرد، بلکه ماده و انرژی را نیز به یکدیگر پیوند داد.
در واقع برابری جرم با انژی، از مهمترین نتایج نسبیت خاص بود. این امر از معادله مشهور جرم و انرژی قابل درک بود
