編按：愛因斯坦先前已經了解到：牛頓圖象（速度可加減）與馬克士威圖象（光速為恆定）是完全矛盾的。牛頓理論是建立在幾個假設上，屬於自足系統，只要其中一項假設改變，整個理論就會瓦解，就像是一個線頭可拆掉一件毛衣般，而那個線頭便是愛因斯坦與光束賽跑的白日夢。
解決光束賽跑矛盾，狹義相對論的誕生
一九○五年五月有一天，愛因斯坦去拜訪在專利局工作的好朋友米歇爾．貝索（Michele Besso）。
愛因斯坦說出問題，告訴貝索這個謎已經困惑自己十年。他利用貝索當自己最愛的腦力激盪板，提出以下題目：
物理學兩大支柱牛頓力學與馬克士威方程式，根本是不相容的，其中有一方必定是錯的；無論最後證明哪個理論為真，最後的解答勢必得大規模重整所有物理學知識。
愛因斯坦來來回回提到與光束賽跑的矛盾，日後他回憶道：「狹義相對論的寶石已經出現在那個矛盾裡了。」他們談了幾個小時，討論問題的每個面向，也談到牛頓的絕對空間與時間概念，似乎違反馬克士威的光束恆定說法。最後，愛因斯坦累壞了，他說自己完全被打敗了，想要放棄整個探尋。試了也沒有用，他已經失敗了。
雖然愛因斯坦很沮喪，但是那晚回到家後他心裡仍然不停思考著。他特別記得搭乘伯恩的電車時，回頭看了城裡那座著名的鐘塔。然後他想像如果電車以光束駛離鐘塔，會發生什麼事情呢？他很快了解到，鐘塔的時鐘看起來會停止，因為光束無法追上電車，但是他自己在車上的鐘依然會正常走動。
然後他突然想到整個問題的關鍵。愛因斯坦回憶道：「我內心起了一場風暴。」答案簡單又漂亮：
全宇宙的時間能以不同速率走動，取決於移動速度有多快。
想像許多時鐘散落在空間裡不同點，每一個時鐘顯示出不同的時間，以不同的速度走動。地球上的一秒鐘，與月球上的一秒鐘或木星上的一秒鐘，長度並不相同。實際上，你移動得越快，時間會越慢。（愛因斯坦有次開玩笑說，在相對論中，他在宇宙每一點都放置一個時鐘，每個以不同速率走動；但是在真實生活裡，他連一個時鐘也買不起。）這代表在某個座標系裡同時發生的事件，在其他座標系裡不必然同時發生，這和牛頓所想的相違背。愛因斯坦終於通達「上帝的思考」了，他後來興奮地回想：「答案乍現我心中。任何概念，或任何時間空間的法則，只有在可以和人類經驗連結的時候，才能有效成立……當我重新形塑同時性（simultaneity）的概念，就得到了相對論。」
例如，在超速駕駛的矛盾故事裡，我們看到警察和光束並行，但是警察後來卻宣稱，不論自己如何加快引擎馬力，光束都是以光速揚長而去。要解決兩張圖象衝突的唯一方法，只有讓警察自己的腦子慢下來，也就是警察的時間變慢了。如果我們能從路旁看到警察的手錶，將可看見手錶幾乎停下來了，而警察的面部表情也已經凍住。因此依照我們的觀點，我們看見警察與光束並駕齊驅，但是他的時鐘（以及腦部）幾乎是停止的。當我們後來訪問警察時，我們發現他認為光束揚長而去，只是因為他的腦部與時鐘走得慢多了。
改寫科學史的原則：光是宇宙的終極速限
為了使理論完整，愛因斯坦也加入洛侖茲—費茲傑羅收縮，只不過他宣稱收縮的是空間本身，而不是原子（空間收縮與時間延滯的聯合效應，現今稱為「洛侖茲變換」［Lorentz transformation］）。
愛因斯對於這條通向相對論之道的過程，曾總結寫道：「我最感謝的是馬克士威。」顯然，愛因斯坦雖然對邁克生–摩里實驗略知一二，但是激盪出相對論的並不是以太風，而是直接從馬克士威方程式而來。
在得到突破的第二天，愛因斯坦來到貝索家，他連招呼都來不及說，衝口而出便是：「謝謝你！我已經完全解開疑問了。」他後來自豪地回憶：「我重新分析時間的概念，解決了這個問題。時間無法絕對定義，時間與訊號速度之間的關係無可分割。」接下來六個星期，他狂熱鑽研每個相關的數學公式，產生了理當是有史以來最重要的科學論文之一。根據他的兒子表示，愛因斯坦後來把論文交給米列娃檢查有無數學錯誤，便直接上床睡了兩個星期。最後論文手稿出爐，題目是〈論運動物體的電動力學〉（On the Electrodynamics of Moving Bodies），他潦草手寫的三十一頁，卻改變了世界歷史。
在這篇論文中，愛因斯坦並未歸功於任何物理學家，他只感謝貝索。（愛因斯坦知道洛侖茲先前的研究，但是他並不知道洛侖茲收縮，那是他獨自發現的。）最後這份論文發表在一九○五年九月《物理年鑑》（Annalen der Physik）的第十七期中，愛因斯坦三篇畫時代的論文都發表在這著名的第十七期。他的同事麥克斯．波恩（Max Born）曾指出第十七期是「整個科學文獻裡份量最重的一期刊物，裡面有三篇愛因斯坦的論文，每一篇論文都處理不同的題目，而且至今都被公認是傑作。」（最近這本著名的期刊，在一九九四年拍賣會上以一本一萬五千美元賣出。）
以幾近雷霆萬鈞之勢，愛因斯坦開宗明義指出，該理論不僅適用於光，同時也是宇宙真理。厲害的是，他所有的成果完全來自於兩項適用慣性座標系（亦即以相對等速運動的眾物體）的簡單假設：
1.物理法則在所有慣性座標系內都相同。
2.光速在所有慣性座標系內恆定。
這兩項乍看之下很簡單的原則，是自牛頓以後對宇宙本質最深奧的概念。從這兩項原則，可以推導出全新的空間與時間圖象。
首先，愛因斯坦巧妙地證明，如果光速確實是個普通常數，則最廣義的座標變換解是洛侖茲變換。接下來他證明馬克士威方程式確實遵循這項原則。最後，愛因斯坦證明速度會以獨特方式增加。雖然牛頓觀察帆船運動，而從中推出速度可以毫無限制相加，愛因斯坦卻指出光速是宇宙的終極速度。現在請想像一下，你正搭乘 90％光速的火箭離開地球，並從火箭內部發射一顆速度也是 90％光速的子彈。根據牛頓物理，這顆子彈的速度應該是 180％的光速，也就是超越光速。但是愛因斯坦證明，因為量尺縮短且時間變慢，實際上速度總和是接近 99％的光速。愛因斯坦的論文也顯示，不論我們多麼努力嘗試，永遠都不可能超越光速。光是宇宙的終極速限。
我們從未經歷或看過這些怪異的現象，因為從來沒有人以光速旅行。從日常速度來看，牛頓法則完美之極，這也是為什麼經過兩百多年的時間，才第一次出現牛頓法則的修正。現在，想像一下光速只有每小時二十哩，若有一部車子在街上跑，在運動方向看起來會像手風琴般受到壓縮，也許長度會縮小到一吋，不過高度仍然相同。由於車裡的乘客被壓縮到一吋，我們可能會猜想，當他們的骨頭被壓碎時，會發出驚聲慘叫。但是實際上，乘客並無感到任何異狀，因為汽車裡面的每件東西，包括他們身體內的原子，都同樣受到擠壓了。
當汽車減速停下來時，車子又會從一吋長慢慢拉長為十呎左右，而乘客將會平安走出來，像什麼事情也沒發生一樣。是誰真的受到壓縮呢？是你還是車子？根據相對論，你無法得知，因為長度概念並沒有絕對意義。
日後回顧可以發現，也有其他人幾乎要發現相對論了。洛侖茲與費茲傑羅得到相同收縮效果，卻完全誤解這個現象，認為是原子受電力變形，而沒想到是空間與時間本身的微妙變換。亨利．龐加萊（Henri Poincaré）是當時公認最偉大的法國數學家，他也曾與解答擦身而過。他了解光速在慣性座標系裡一定是常數，甚至證明馬克士威方程式在洛侖茲變換下仍保有相同形式。不過，他也一樣拒絕拋棄牛頓的以太架構，並認為這些扭曲僅僅是電磁現象。
本文摘自《愛因斯坦的宇宙》， 2018 年 11 月，時報出版。
