與此相聯系,他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題.以太這個名詞源於希臘,用以代表組成天上物體的基本元素.17世紀,笛卡爾首次將它引入科學,作為傳播光的媒質.其後,惠更斯進壹步發展了以太學說,認為荷載光波的媒介物是以太,它應該充滿包括真空在內的全部空間,並能滲透到通常的物質中.與惠更斯的看法不同,牛頓提出了光的微粒說.牛頓認為,發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流,粒子流沖擊視網膜就引起視覺.18世紀牛頓的微粒說占了上風,然而到了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,波的傳播要依賴於媒質,因為光可以在真空中傳播,傳播光波的媒質是充滿整個空間的以太,也叫光以太.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壹起來,認為光就是壹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壹起來.以太不僅是光波的載體,也成了電磁場的載體.直到19世紀末,人們企圖尋找以太,然而從未在實驗中發現以太.
但是,電動力學遇到了壹個重大的問題,就是與牛頓力學所遵從的相對性原理不壹致.關於相對性原理的思想,早在伽利略和牛頓時期就已經有了.電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架,但在解釋運動物體的電磁過程時卻遇到了困難.按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是壹個恒量,然而按照牛頓力學的速度加法原理,不同慣性系的光速不同,這就出現了壹個問題：適用於力學的相對性原理是否適用於電磁學?例如,有兩輛汽車,壹輛向妳駛近,壹輛駛離.妳看到前壹輛車的燈光向妳靠近,後壹輛車的燈光遠離.按照麥克斯韋的理論,這兩種光的速度相同,汽車的速度在其中不起作用.但根據伽利略理論,這兩項的測量結果不同.向妳駛來的車將發出的光加速,即前車的光速=光速+車速；而駛離車的光速較慢,因為後車的光速=光速-車速.麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖.我們如何解決這壹分歧呢?
19世紀理論物理學達到了巔峰狀態,但其中也隱含著巨大的危機.海王星的發現顯示出牛頓力學無比強大的理論威力,電磁學與力學的統壹使物理學顯示出壹種形式上的完整,並被譽為“壹座莊嚴雄偉的建築體系和動人心弦的美麗的廟堂”.在人們的心目中,古典物理學已經達到了近乎完美的程度.德國著名的物理學家普朗克年輕時曾向他的老師表示要獻身於理論物理學,老師勸他說：“年輕人,物理學是壹門已經完成了的科學,不會再有多大的發展了,將壹生獻給這門學科,太可惜了.”
愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人.在伯爾尼專利局的日子裏,愛因斯坦廣泛關註物理學界的前沿動態,在許多問題上深入思考,並形成了自己獨特的見解.在十年的探索過程中,愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學.愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的,但是有壹個問題使他不安,這就是絕對參照系以太的存在.他閱讀了許多著作發現,所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的.經過研究愛因斯坦發現,除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義.於是他想到：以及絕對參照系是必要的嗎?電磁場壹定要有荷載物嗎?
愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作,並從哲學中吸收思想營養,他相信世界的統壹性和邏輯的壹致性.相對性原理已經在力學中被廣泛證明,但在電動力學中卻無法成立,對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不壹致,愛因斯坦提出了懷疑.他認為,相對論原理應該普遍成立,因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式,但在這裏出現了光速的問題.光速是不變的量還是可變的量,成為相對性原理是否普遍成立的首要問題.當時的物理學家壹般都相信以太,也就是相信存在著絕對參照系,這是受到牛頓的絕對空間概念的影響.19世紀末,馬赫在所著的《發展中的力學》中,批判了牛頓的絕對時空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象.1905年5月的壹天,愛因斯坦與壹個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法,兩人討論了很久.突然,愛因斯坦領悟到了什麽,回到家經過反復思考,終於想明白了問題.第二天,他又來到貝索家,說：謝謝妳,我的問題解決了.原來愛因斯坦想清楚了壹件事：時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有壹種不可分割的聯系.他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前.
1905年6月30日,德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表.這篇論文是關於狹義相對論的第壹篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容.狹義相對論所根據的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理.愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理.伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義.牛頓建立力學體系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了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同壹的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯系在壹起的.對於任何壹個參照系和坐標系,都只有屬於這個參照系和坐標系的空間和時間.對於壹切慣性系,運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律,它們的形式都是相同的,這就是相對性原理,嚴格地說是狹義的相對性原理.在這篇文章中,愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本原理的根據,他提出光速不變是壹個大膽的假設,是從電磁理論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與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這壹點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的.
什麽是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?壹般來說,我們會通過信號來確認.為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何沒出這壹速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有壹只已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間.但我們如何知道異地的鐘對好了呢?答案是還需要壹種信號.這個信號能否將鐘對好?如果按照先前的思路,它又需要壹種新信號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認.不過有壹點是明確的,同時性必與壹種信號相聯系,否則我們說這兩件事同時發生是沒有意義的.
光信號可能是用來對時鐘最合適的信號,但光速不是無限大,這樣就產生壹個新奇的結論,對於靜止的觀察者同時的兩件事,對於運動的觀察者就不是同時的.我們設想壹個高速運行的列車,它的速度接近光速.列車通過站臺時,甲站在站臺上,有兩道閃電在甲眼前閃過,壹道在火車前端,壹道在後端,並在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡,通過測量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結論是,甲是同時看到兩道閃電的.因此對甲來說,收到的兩個光信號在同壹時間間隔內傳播同樣的距離,並同時到達他所在位置,這兩起事件必然在同壹時間發生,它們是同時的.但對於在列車內部正中央的乙,情況則不同,因為乙與高速運行的列車壹同運動,因此他會先截取向著他傳播的前端信號,然後收到從後端傳來的光信號.對乙來說,這兩起事件是不同時的.也就是說,同時性不是絕對的,而取決於觀察者的運動狀態.這壹結論否定了牛頓力學中引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架.
相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度.由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹.但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的（與光速相比）,看不出相對論效應.
愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出質量隨著速度的增加而增加,當速度接近光速時,質量趨於無窮大.他並且給出了著名的質能關系式：E=mc2,質能關系式對後來發展的原子能事業起到了指導作用.