對愛因斯坦來說，貝索在1905年5月給他的幫助是特別有意義的。那時，愛因斯坦從用心了幾年的其他物理學問題回到麥克斯韋的電動力學定律和那些關於長度收縮和時間膨脹的誘人線索上來。他想找一個辦法來為這些線索賦予意義，但思想遇到了障礙。為了清除絆腳石，他請貝索幫忙來了。據他後來回憶，「那是一個明媚的日子，我去找[貝索]，開門見山地對他說：『我最近遇到一個問題，太難了，我理解不了，所以我今天帶著問題到這兒來，跟你討論。』我同他談了很多，後來我突然明白是怎麼回事了。第二天我又去找他，開口就說：『謝謝你，我已經完全解決這個問題了。』」
愛因斯坦的答案是：沒有絕對空間那樣的東西，也沒有絕對時間那樣的東西。牛頓的物理學基礎完全崩潰了。至於以太，那是不存在的。
愛因斯坦拋棄了絕對空間，「在絕對空間中靜止」的說法就絕對沒有意義了。他聲稱，沒有辦法測量地球在絕對空間的運動，這就是為什麼邁克爾遜-莫雷實驗會出現那樣的結果。我們只能測量地球相對於其他自然事物（如太陽、月亮）的速度，正如我們也只能測量火車相對於大地、空氣等自然物的速度一樣。不論地球、火車還是別的任何事物，都沒有絕對運動的依據；運動純粹是「相對的」。
愛因斯坦拋棄了絕對空間，也就拋棄了這樣的觀念：不論如何運動，關於某張桌子、某列火車或某個別的什麼東西，每個人都能得到一樣的長、寬和高。相反，愛因斯坦堅信，長、寬、高都是「相對的」概念，它們依賴於被測物體和測量者的相對運動。
愛因斯坦拋棄了絕對時間，也就拋棄了不論如何運動，每個人都得以相同方式經歷時間流的觀念。愛因斯坦宣佈，時間是相對的。每一個以自己方式旅行的人，一定會與其他以不同方式旅行的人，經歷不同的時間流。
在這些論斷面前，我們難免會感到不安。如果它們是正確的，那麼它們不但會破壞整個牛頓物理學定律大廈的基礎，而且還將剝奪我們的普通感覺，變革我們對空間和時間的日常觀念。
但是，愛因斯坦不僅是破壞者，也是創造者。他為我們提出了一個取代舊基礎的新基礎，這個基礎當然是牢固的，而且已經證明，它同宇宙的和諧要完美得多。
愛因斯坦的新基礎由兩個新的基本原理構成：
·光速絕對性原理：不論空間和時間的本性如何，它們的構成必定使光速在所有方向上都絕對地相同，而且絕對與測量者的運動無關。
這個原理響亮地宣佈了，邁克爾遜-莫雷實驗是正確的。而且，不論未來的測量裝置多麼精確，它們一定會得出相同的結果：一個普適的光速。
·相對性原理：不論物理學定律的本質如何，它們都必須在同等的視點上處理所有的運動狀態。
這個原理斷然拋棄了絕對空間：如果物理學定律不在同等的視點上討論所有的運動狀態（例如，太陽的運動狀態和地球的運動狀態），那麼利用這些物理定律，物理學家就能選出某個「優越的」運動狀態（如太陽的）並將它定義為「絕對靜止」狀態。這樣的話，絕對空間又將溜回物理學。在本章後面，我們還會談這個問題。
根據光速的絕對性，愛因斯坦用後面卡片1.1中所述的精巧的邏輯論證方法證明了，如果你我彼此相對運動，那麼，我所謂的空間一定是你的空間和你的時間的混合，而你所謂的空間一定是我的空間和我的時間的混合。
這兒說的「空間和時間的混合」，類似於地球上的方向。大自然為我們提供了兩種確定方向的辦法，一種關係著地球的自轉，另一種關係著地磁場。在加利福尼亞的帕薩迪納，地磁北極（羅盤針所指的方向）與真實北極（通過地球自轉軸，即通過「北極星」的方向）偏離了大約20度，見圖1.2。這意味著，為了在磁北方向上旅行，我們的路線必須部分（約80%）沿真北方向，部分（約20%）沿真東方向。在這個意義上，磁北是真北與真東的混合。同樣，真北也是磁北和磁東的混合。
為了理解類似的空間和時間的混合（你的空間是我的空間和時間的混合，我的空間是你的空間和時間的混合），想像你有輛大馬力的賽車，你喜歡在深夜以極高的速度在帕薩迪納的科羅拉多林陰大道上飛馳，而我是警察，那時正在打瞌睡。你在汽車頂上拴了許多鞭炮，引擎蓋前一隻，車身後一隻，中間還有很多，見圖1.3（a）。當你通過我的崗亭時，照你的觀察，你同時點燃鞭炮。
圖1.2 磁北是真北和真東的混合，而真北是磁北和磁東的混合
圖1.3（b）是照你的視點畫的。豎直線是你所測得的時間流（「你的時間」）。水平線是你測量的從車尾到車頭的距離（「你的空間」）。因為鞭炮在你的空間裡（也就是，照你的觀察）是靜止的，所以隨著你的時間的流逝，它們保持在圖中的同一個水平位置上，如虛線所示，每根線代表一隻鞭炮。這些線都垂直向上延伸，表明不管時間如何流逝，空間裡沒有向右或向左的運動——延伸突然終結在鞭炮爆炸的時刻。爆炸的事件在圖中以星號表示。
這種圖叫做時空圖，它以水平方向畫空間，以垂直方向畫時間；虛線叫世界線，因為它們表示當時間流過時，鞭炮在世界的什麼地方運行。以後，我們還會更多地發揮時空圖和世界線的作用。
如果誰在圖中（圖1.3（b））的水平方向上運動，那麼他實際上是在你的時間的一個固定時刻通過空間。相應地，我們方便地認為，圖中的每一條水平線描述了你在你的時間的某個時刻所看到的空間（「你的空間」）。例如，點畫的水平線就是你在鞭炮爆炸時刻的空間。如果誰在圖中豎直地向上運動，那麼他實際上是在你的空間的一個固定位置上穿過時間。相應地，我們方便地認為，時空圖中的每一條豎直線（如每個鞭炮的世界線）描述了你在空間的某個位置上的時間流。
圖1.3 （a）你的跑車車頂繫著鞭炮在科羅拉多林陰大道上飛馳
（b）根據你的視點（行駛中的汽車）畫的鞭炮運動和爆炸的時空圖
（c）根據我的視點（靜止在崗亭中）畫的鞭炮運動和爆炸的時空圖
在崗亭裡的我，如果沒打瞌睡的話，會畫一幅很不一樣的時空圖來描繪你的汽車、你的鞭炮和爆炸（圖1.3（c））。我用豎直線畫我所測得的時間流，用水平線畫沿著科羅拉多林陰大道的距離。隨著時間流過，每個鞭炮都跟汽車一起高速地在林陰大道上運動，相應地，鞭炮的世界線在圖中向右傾斜：爆炸時，右邊的鞭炮比開始時離得更遠。
現在，我們來看愛因斯坦邏輯論證（卡片1.1）的驚人結論。光速的絕對性要求，在我看來，鞭炮不會同時爆炸，即使在你看來，它們是同時爆炸的。據我的觀點，你車上最邊緣的鞭炮最先爆炸，而最前沿的鞭炮最後爆炸。相應的是，我們稱為「你在爆炸時刻的空間」的點畫線（圖1.3（b））在我的時空圖中是傾斜的（圖1.3（c））。
圖1.3（c）清楚地表明，為了在你的爆炸時刻通過你的空間（沿點畫的爆炸線），我必須在我的空間和時間中穿過。從這個意義說，你的空間是我的空間和時間的混合，這跟我們說磁北是真北和真東的混合，是同樣的意思（比較圖1.3（c）和圖1.2）。
你可能忍不住想說，「空間和時間的混合」不過是「同時性依賴於人們的運動狀態」的一種複雜和虛張聲勢的說法而已。是的。不過，在愛因斯坦基礎上建設的物理學家們發現，這樣的思維方式是很有威力的，它曾幫助他們破譯愛因斯坦留下的遺產（他的新物理學定律），在那些遺產中發現了一系列看似古怪的現象：黑洞、蟲洞、奇點、時間彎曲和時間機器。
根據相對性原理和光速的絕對性原理，愛因斯坦得到了其他一些空間和時間的顯著特徵。用上面那個故事的話來說：
·愛因斯坦認為，當你在科羅拉多林陰大道上向東行駛時，我一定會發現你的空間和在其中靜止的一切事物（你的車、你的鞭炮和你自己）在東西方向（而不是南北或上下方向）上縮短了，這就是菲茲傑拉德所推測的收縮，不過現在找到了堅實的基礎：收縮是由空間和時間的特殊性質引起的，而不是什麼作用在運動物體上的自然力的結果。
·同樣，愛因斯坦也認為，當你向東運動時，你一定會發現我的空間和在其中靜止的一切事物（我的崗亭、我的桌子和我自己）在東西方向（而不是南北方向和上下方向）上收縮了。你看我收縮，我看你收縮，這似乎令人困惑，但實際上不可能再有別的結果：它將你我的運動狀態放在了一個平等的基礎上，這正符合相對性原理。
·愛因斯坦還認為，在快速駛過時，我發現你的時間流慢了，也就是說，時間膨脹了。你車上儀表板的鍾比我崗亭牆上的鍾顯得要慢些。與我相比，你說話更慢，你的頭髮長得更慢，你的年歲也過得更慢了。
·同樣，根據相對性原理，當你從我身邊駛過時，你會發現我的時間流慢了，你看到我崗亭牆上的鍾比你儀表板上的鍾走得慢。對你來說，我好像也是說話慢了，頭髮長慢了，我的年歲也過得慢了。
卡片1.1 愛因斯坦對空間和時間混合的證明
愛因斯坦的光速絕對性原理迫使空間和時間相混合，換句話說，它強調同時性是相對的：在你看來同時發生的事件（在你的時間的某一時刻，在你的空間中，如你的賽車在科羅拉多林陰大道上奔馳），在我這個坐在崗亭裡的警察看來，並不是同時發生的。我將用與下面所示的時空圖相聯繫的描述性語言來證明這一點，這個證明與愛因斯坦在1905年提出的基本相同。24
在你的車中央放一隻閃光燈。把燈打開，它向車頭發出一道向前的閃光，向車尾發出一道向後的閃光。由於兩個閃光是同時發出的，由於根據你在車中的測量，它們經過相同的距離，由於它們以相同的速度傳播（光速是絕對的），因此在你看來，它們一定同時到達車頭和車尾，看下面左邊的圖。於是，根據你的觀點，兩個閃光事件（在車頭的為A，車尾的為B）是同時發生的，而且剛好與你看到的圖1.3中的鞭炮爆炸相吻合。
接下來讓我們看看，從我的視點觀察，當你的汽車快速從我眼前駛過時，兩個閃光和它們到達的事件A、B是如何的，請看上面右邊的圖。據我的觀點，你的車尾在向前運動，接近向後傳來的閃光，所以，我看到它們相遇（事件B）比你看到的更早。同樣，你的車頭在向前運動，但遠離向前的閃光，所以，我看到它們相遇（事件A）比你看到的更晚（這個結論的關鍵在於這樣的事實：我所看到的兩個閃光的速度是相同的；也就是說，結論依賴於光速的絕對性）。因此，我認為事件B發生在事件A的前頭；同樣，我看到靠近車尾的鞭炮比靠近車頭的鞭炮先爆炸。
注意，爆炸在上面的時空圖中的位置（在你的時間的某一時刻你所在的空間）與圖1.3是一樣的。這證明了我們將在下面討論的空間和時間的混合。
我看你的時間流慢了，而你看我的時間流慢了，這怎麼可能呢？這是什麼邏輯啊？另外，我怎麼能看到你的空間收縮了，而你看我的空間也收縮了？答案都依賴於同時的相對性。關於在我們各自空間中不同位置發生的事件是否同時，你和我沒有一致的結論，而這種不協調看來正好協調了我們在時間流和空間收縮上的矛盾，它也靠這個方式保證了一切事物在邏輯上的一致。不過，為說明這種邏輯的一致，需要花太多的篇幅，我不想那麼做，請你去看泰勒（Taylor）和惠勒（Wheeler）在1992年的那本書的第3章裡的證明。
我們人類在日常生活中從來沒有感覺到空間和時間的這類怪異行為，那是怎麼回事呢？答案是，我們的運動太慢了。我們相對於彼此的運動速度，總是遠遠小於光速（每秒299 792公里）。假如你的車在科羅拉多林陰大道上以每小時150公里的速度疾馳，那麼我知道你的時間流膨脹和你的空間收縮的量大約是一百萬億分之一（1×10-14），這對我們的感覺來說是太小了。不過，如果你的車以光速的87%的速度衝過我，那麼，我（用反應極快的儀器）可以發現，你的時間流比我的慢2倍，而你也看到我的時間流比你的慢2倍；同樣，我會看到你車上的所有物體在東西方向上的長度都只有正常情況下的一半；而你也會看到，我崗亭裡的所有物體在東西方向上的長度也只有正常情況下的一半。實際上，20世紀後期的大量實驗都證實了，空間和時間正是以這種方式發生作用的。25
愛因斯坦是如何得到這些空間和時間的基本描述的呢？
他沒有檢驗什麼實驗結果。在他那個年代，只有低速運動，鍾也不夠精確，不可能表現出任何時間的膨脹和同時性的不一致，而且量桿也不夠精確，表現不出長度的收縮。那時，相關的實驗也只有那麼幾個，如邁克爾遜和莫雷證實地面光速可能在各個方向都相同的實驗。這些數據對建立這樣一個關於空間和時間的概念基礎，是遠遠不夠的！而且，愛因斯坦對這些實驗幾乎沒怎麼留意。
實際上，愛因斯坦是靠他天生的直覺來判斷哪些事情是應該相信的。經過反覆的思考，光速一定是一個獨立於方向、獨立於運動的普適常數，在他的直覺看來，成了顯然的事實。他推論，只有在這種情況下，麥克斯韋的電磁學定律才會始終是簡單而優美的（例如，「磁力線永遠沒有端點」），而且他堅信，在某個深層的意義上，宇宙也願意擁有簡單而優美的定律。就這樣，他引進了一個新原理，他的光速絕對性原理，作為一切物理學的基礎。
憑這個原理本身，不需要別的東西，就已經確保了建立在愛因斯坦基礎上的物理學定律的大廈將完全不同於牛頓的。牛頓物理學家假定空間和時間是絕對的，他必然得到的結論是，光速是相對的——它依賴於事物的運動狀態（像本章先前提到的鳥和火車的類比那樣）。愛因斯坦假定光速是絕對的，他必然得到的結論是，空間和時間是相對的——它依賴於事物的運動狀態。在得到空間和時間是相對的結論後，對簡單和優美的追求又將愛因斯坦引向他的相對性原理：沒有哪個運動狀態會比其他狀態更優越，在物理學定律看來，一切運動狀態都是平等的。26
對愛因斯坦的物理學新基礎的構建來說，不僅實驗不重要，其他物理學家的思想也不重要。他幾乎不關心別人在做什麼，他甚至連洛倫茲、龐卡萊、拉莫和其他作者在1896年到1905年間所寫的關於空間、時間和以太的那些重要的專業論文也沒讀過一篇。
洛倫茲、彭加勒和拉莫也在他們的文章裡摸索愛因斯坦那樣的對我們空間和時間概念的修正，但他們卻迷失在牛頓物理學強加給他們的錯誤概念的迷霧中，而愛因斯坦卻能夠完全拋棄這些錯誤概念。他相信宇宙喜歡簡單和優美；他情願追隨這個信念，儘管它意味著破壞牛頓物理學的基礎。這為他帶來了無比清晰的空間和時間的新圖景。
在本書後面，相對性原理還會發揮重要作用，所以我再用幾頁來更深入地解釋一下。
我們首先應該有一個參照系的概念。一個參照系就是一個實驗室，它有各種測量儀器，你可以在裡面做任何你想做的測量。實驗室跟它所有儀器一道在宇宙中運動，它們必須經歷相同的運動。事實上，參照系的運動才是真正重要的概念，當代物理學家說「不同的參照系」時，他強調的正是兩個實驗室的不同運動狀態，而不是不同的測量儀器。
參照系的實驗室和儀器都不必是真的，它們完全可以是一種想像的結構，只存在於物理學家的頭腦中，使他們可以問某個問題，例如，「假如我在小行星帶中穿行的宇宙飛船裡，我想測量某顆小行星的大小，結果會怎樣？」這些物理學家實際是想像他們有一個固定在宇宙飛船上的參照系（實驗室），想像他們可以用那個參照系的儀器來進行測量。
愛因斯坦在表述他的相對性原理時，沒有用任意的參照系，而是用了一類相當特殊的參照系：一類既不自己加速也不受外力推動而只靠自身慣性自由運動的參照系（實驗室），因而它總是保持它開始的那種勻速運動的狀態。愛因斯坦稱這類參照系為慣性系，因為它們的運動完全受慣性的支配。
固定在點火的火箭上的參照系（火箭裡的實驗室）就不是慣性系，因為它的運動不僅受慣性作用，還受火箭推進的影響。推進的系統的運動不再是勻速的了。固定在航天器上的參照系，在重新進入地球大氣層時，也不是慣性的，因為航天器表面與地球空氣分子的摩擦會使它變慢，從而運動不再是勻速的。
最重要的是，在任何大質量物體（如地球）附近，所有參照系都受引力作用，沒有什麼辦法可以讓參照系（或其他事物）躲避引力的吸引。所以，在慣性系的局限下，愛因斯坦在1905年無法考慮當引力起重要作用時的物理狀態。1實際上，他將我們的宇宙理想化為一個完全沒有引力的世界。像這類極端的理想化對物理學的進步是很重要的。我們從概念上放棄宇宙的難以理解的方面，而當我們理性地把握了它的其餘方面，即相對較容易的方面後，再回到那些困難的方面來。愛因斯坦在1905年理性地把握了沒有引力的理想化的宇宙，然後他才轉向一個更困難的任務，去認識真實的由引力主宰的宇宙的空間和時間的本性，這個任務最終迫使他得到這樣的結論：引力捲曲了空間和時間（第2章）。
理解了慣性參照系的概念，我們現在更深入地來討論愛因斯坦相對性原理更準確的形式：以在一個慣性系中所進行的測量來建立任何物理學定律，那麼，當以在任何其他慣性系中所進行的測量來重建這些定律時，它們必須具有與在原來參照系中完全相同的數學形式和邏輯形式。換句話說，物理學定律不必為我們提供區別一個慣性系（一種勻速運動狀態）和任何其他慣性系的方法。
看兩個物理定律的例子，會更明白這一點：
·「初始靜止在慣性參照系中的任意自由物體（即不受力作用的物體）將總保持靜止；原來在慣性參照系中運動的任何自由物體，將永遠以不變的速度沿直線向前運動。」如果（確實如此）我們有足夠的理由相信，這個牛頓第一運動定律的相對論表述至少在一個慣性系中是正確的，那麼，相對性原理認定，它在一切慣性參照系中也一定是正確的，不管這些參照繫在宇宙的什麼地方，也不管它們運動得多麼快。
·麥克斯韋的電磁學定律必須在所有參照系中具有相同的數學形式。當我們在牛頓基礎上建立這些定律時，它們並不如此（磁力線在某些參照系中可能有端點，而在另一些參照系中卻沒有端點），這一缺陷深深刺激了洛倫茲、彭加勒、拉莫和愛因斯坦。在愛因斯坦看來，這些定律在一個參照系，即以太所在的參照系中簡單而優美，但在其他所有相對於以太運動的參照系中卻複雜而醜陋，這是不能接受的。通過重建物理學基礎，愛因斯坦也使麥克斯韋定律在各慣性參照系中都有了一個簡單而優美的形式，而在每個慣性系中的形式都是一樣的（例如，「磁力線永遠不會有端點」）——這正符合他的相對性原理。
相對性原理實際上是一個形而上的原理（metaprinciple），原因是，它本身並不是一個物理學定律，而是一種模式或規則，（愛因斯坦斷言）所有的物理學定律都必須遵從這個原理，不論它是什麼樣的定律，也不論它是關於電的和磁的，或原子的和分子的，還是蒸汽機的和賽車的。這個形而上原理的力量是驚人的。每個新提出的定律都得經受它的檢驗。如果新定律通過了它的檢驗（即如果定律在每個慣性系中是一樣的），那麼這個定律也就有希望描繪我們的宇宙行為。如果檢驗失敗了，那麼愛因斯坦會斷言它沒有希望了，應該被拋棄。
自1905年以來近百年的所有經驗告訴我們，愛因斯坦是對的。所有成功描述了真實宇宙的新定律都已證明是服從愛因斯坦的相對性原理的。這個形而上原理，已經成為物理學定律的定律。
1905年5月，愛因斯坦與貝索的討論幫他打碎了思想上的攔路石，使他拋棄了絕對的時間和空間，接下來，他只思考和計算了幾個星期，就形成了他的物理學新基礎，導出了一系列關於空間、時間、電磁和高速運動物體行為本質的結論。其中的兩個結論是很輝煌的：質量可以轉化為能量（這將成為原子彈的基礎，見第6章）；每個物體的慣性在速度接近光速時必然會快速地增大，以至不論我們費多大力量推動它，都不可能使它達到或超過光速（「沒有什麼能比光還跑得快」）。2
6月底，愛因斯坦將他的思想和結論寫成一篇論文，投給《物理學紀事》。他的論文有一個尋常意味的題目：「論運動物體的電動力學」，內容卻是異乎尋常的。匆匆讀過，我們會看到，愛因斯坦，這位瑞士專利局的「三級技術員」，提出了一個全新的物理學基礎，提出了一個未來所有的物理學定律都必須遵從的形而上原理，還極大地修正了我們的空間和時間的觀念，導出了輝煌的結論。很快，愛因斯坦的新基礎和結論就出名了，叫做狹義相對論（說它「狹義」是因為它只是在引力不重要的特殊情況下正確描繪了宇宙）。
萊比錫《物理學紀事》編輯部在1905年6月30日收到愛因斯坦的論文，經過仔細認真的審讀，論文通過了，被接受了，發表了。27
在論文發表後的幾個星期裡，愛因斯坦期待著來自當代大物理學家的反應。他的觀點和結論太基本了，幾乎沒有實驗基礎，所以他等待著尖銳的批評和爭論，然而，他等來的是冷漠的沉寂。許多個星期過去了，最後他收到一封來自柏林的信：馬克斯·普朗克（Max Planck）詢問文章裡的幾個技術細節，請他說明。愛因斯坦真是欣喜若狂！普朗克是還健在的最有名的物理學家之一，能受到他的注意，實在是令人滿足的。第二年，當普朗克繼續以愛因斯坦的相對性原理作為自己研究的核心工具時，愛因斯坦更加振奮了。因為普朗克的讚揚，因為慢慢來自其他傑出物理學家的讚揚，而最重要的，因為他本人極端的自信，當他所預料的爭論在接下來的20年裡真的紛擾在相對論周圍時，愛因斯坦還能夠堅定地挺過來。直到1922年，爭論仍然很激烈，所以當瑞典科學院的秘書電告愛因斯坦獲得諾貝爾獎時，還特別指出，相對論不在評獎所考慮的工作之內。
爭論到30年代才最後結束，那時技術已經很先進了，可以為狹義相對論的預言帶來精確的實驗證據。到90年代的今天，更沒有絲毫可以懷疑的了：在斯坦福大學、康奈爾大學和其他地方的粒子加速器裡，每天有1017以上的電子被加速到高達0.999 999999 5個光速——而它們在這種超高速下的行為完全與愛因斯坦狹義相對論的物理學定律相吻合。例如，隨著速度接近光速，電子的慣性增加了，使它不能達到光速；當電子與靶子碰撞時，它們產生高速的被稱為μ子的粒子。以μ子自身的時間來測量，它們只能生存2.22微秒，但是以靜止在實驗室中的物理學家的時間來測量，由於時間膨脹，它們可以生存100微秒或更長的時間。
[1] 這就是說，我在上面例子中用的高速汽車是不太恰當的，它也受地球的引力作用。不過，因為地球引力是垂直作用在汽車的運動方向上的（也就是一個向下，一個水平），它不會給我們在賽車故事裡討論的觀點帶來任何影響。
[2] 不過這是有條件的，見第14章。