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迈克尔逊实验证明，无论顺着还是逆着地球运动的方向光速都是一样。爱因斯坦就紧紧抓住这一点把它固定下来，叫光速不变原理。就是说光源无论是向我们跑来、离去或静止都不能改变光速。这是因为光源的运动造成光的频率和波长的改变，它们互相补偿，所以光速保持不变。这是爱因斯坦理论中基本的一条，有它为前提才能讨论以后的问题。这好像很难懂，但我们用实际生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不动，对面有人向你扔过一个皮球来。你能看到他的头、脸、身、手和皮球，这当然是因为光从他身上反射到你的眼里。如果按照经典的速度合成原理，球一出手后就有一个向你而来的速度，这时球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快（多出一个球速）。但是这一“快”就糟了，你就会先看到正在空中的球，后看到拿在手里的球。如果真是这样，我们怎么能看篮球比赛呢，生活中的一切动作岂不都要颠倒过来？所以无论光源如何动，光速总是不变的。经典理论的速度合成原理一碰到光速就不适用了。在天文观察中也能说明这一点，有一种“双星”是在轨道上互相绕着运行，就是说某星一会儿向地球飞来，一会儿又绕走了，离地球而去。如果按速度合成原理这麻烦就更多了，这星会以光速加星速、光速减星速（星速对地球来说又在不断变）等不同速度接连送到我们眼里。我们看到的就不是一颗星，而是一大堆星的幻影了。可是这种现象从没有发生，否则本来就够纷乱的星空就更是一锅粥了。当然，爱因斯坦还有许多具体的证明，我们这里不过是尽量从浅处说明罢了。
既然承认光速不变，我们就有了一个标准尺度，用这个尺度来量时间，这下可发现了一个大问题－原来时间却没有个固定标准，它是相对的，可变的。这就碰到了牛顿经典物理学最要害的地方。牛顿认为时间和空间都是绝对的，自从上帝将它创造好后就在那里安安静静地存在，独立地存在，与外界任何事物无关。现在爱因斯坦说：不，在两个作匀速直线运动的参照系中，一切自然规律都是相对的。在这个参照系里观察是静止的，在那个参照系观察就可能是运动的，不单力学实验，连光学实验，任何实验也测不出绝对运动和绝对时间。因为我们用眼睛看表，看到的是表发来的光信号，而光的传播需要时间，我们所处的位置不同，看到的时间表面上相同，实际已经不同了。从月球到地球，光约走1。25秒，地球上红光一闪，一颗炸弹爆炸，在月球上的宇航员和地球上的人都“同时”看到了这一闪，可是实际上月球上的宇航员比地球上的人要晚看到1。25秒。我们平时总觉得同时、同时，那是因为光速太快，这种误差根本觉不出来。所以爱因斯坦在给人讲相对论时常先在黑板上划一条白线，幽默地说：“请你们想像这是宇宙中的一条线，在这条线的每一个点上都挂着一块表”。他讲到高兴时常常过了点，便问前排的人现在几点，然后抱歉地说：“对不起，我给宇宙里的每一处都挂上一块钱，可是没有能给自己口袋里挂一块表。”
在确定了光速不变，抛弃了牛顿的绝对时空观后，爱因斯坦得出这样几个重要结论。
第一，便是看来很不可信的“钟慢尺缩”。就是说在运动中的钟会比静止时走得慢，尺子也会缩短。我们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但是如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米，地上过了一小时，运动中的时钟却才走了半小时。一个人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，当他归来时会奇怪地发现，儿子已白发苍苍，而自己却还那样年轻。这样的试验我们当然还不能做，但是同样道理的实验却完全可以证明运动中的钟确实会变慢。前几回我们讲到原子的放射性时，已经知道了什么叫“半衰期”。某一种基本粒子的半衰期是固定不变的，因此我们可以把它看成是一个“钟”。根据相对论，运动粒子比静止粒子的半衰期就应该长一些，实验结果，从粒子加速器里出来的以接近光速的速度运动的粒子比其他静止的粒子确是衰变得慢。
相对论的第二个结论是揭示了质量和速度的关系，运动中的物体比静止时质量增加。第三个结论是讲质量和能量的关系，这就是那个极其著名的爱因斯坦方程：
E＝mc^2
过去我们讲过质量守桓定律和能量守桓定律，而爱因斯坦现在却把两个定律统一在一个公式里了。E是能量，m是质量，c是光速。从公式中可以看出，每一点物质，只要它有质量（这是当然的），那怕是石块、木棍、尘埃都含有极大的能量，因为光速是一个很大的数字。比如1公斤煤，完全燃烧后只能放出3。35×10^4千焦的热，这只是它所蕴藏的极小的一部分能量，如果能把它的全部能量都释放出来就有9。04×10^14千焦。这相当于一个大城市几年消耗的电力。而每克物质所含的能量就有8。37×10^11千焦。可惜我们现在还没办法将它们全部释放出来。
好，办不到的事我们先不去说它，但是自然界切实存在的事却可以来验证这个公式。很久以来人们一直不理解太阳为什么能如此长期地燃烧而不灭。开始人们解释说太阳就像一块大煤在持续燃烧，可是一算这块煤顶多够烧1500年，而太阳系已存在了几十亿年了。放射性发现后人们又猜测太阳是一块大铀在不断地衰变而放出能量，这样倒真可以持续几十亿年。但是，很可惜太阳不是铀构成的，正好相反它是氢、氮这类的轻元素构成的。到本世纪的二、三十年代，人们用爱因斯坦的公式来解释太阳聚变释放能量的过程才圆满地回答了这个问题。这样，爱因斯坦的这个质量等价定律使经典物理学中不能称重的能量也变成可以称一称了。现在我们已经可以算出一个10瓦的灯泡每分钟发射的光轻于7×10^…12克，但是每天太阳放出辐射能，其损失的质量将达4×10^11吨。电磁场也可以称量，一个1米直径的铜球充电到1000伏的电势时，它周围的场重2×10^…22克，一个普通实验室里的磁场重10^…15克。热能也可以称量，一公升水在100℃时比同样数量的冷水重10^…20克，一个两万吨级的原子弹所释放的总能量约重1克。
各位读者，这个爱因斯坦真正是不简单，我们平时谁会想到光、热、电、磁是可以称出重量的呢？而他想到了，并且还找到了切切实实的换算办法。人们过去对能量守恒和质量守恒的研究，就如在一座大山的两头挖着隧洞，两条洞就要衔接了，可是彼此谁也不知道。这时爱因斯坦是来举起镐头轻轻这么一敲，两洞之间的隔壁就轰然倒塌，质能之间有了一条可以随意畅行的坦途。这就是科学研究的突破，这就是飞跃。凡科学伟人都是善于找见这个问题与那个问题，这个领域与那个领域之间的结合部、联系点，从而打出一个新的天地，或者将过去人们在向科学进军中建立的分散根据地沟通联成一片。科学成果的取得像我们政权的取得一样，也是这样由小到大，由分散到统一。我们回想一下前面讲过的几个科学伟人，牛顿对比了月亮、苹果之间的重力联系，创立了万有引力；法拉第找见了电磁间的联系，使磁变成了电；麦克斯韦弄清了电场磁场间的联系，创立了电磁场理论。现在爱因斯坦又找见了质能之间的联系，创立了相对论。人类在征服自然中就是这样步步登高，视野愈来愈宽阔。治学之大敌是甘做井底之蛙，只见头上的一眼蓝天而不知世界之大。
这个道理说来容易，但为什么总是只有少数伟人才能做到这点呢？自然那牛顿、法拉第、麦克斯韦各有其长，而爱因斯坦更有他的特殊之处。
爱因斯坦1879年3月14日生于德国南部的乌尔姆小镇。这个小镇就是当年笛卡儿在梦中发现坐标系的地方，而1879年又正是麦克斯韦完成了他在人世间的伟业后开始长眠之时。真是天将降大任于斯人而精心选择了此时此地。他并不像其他科学家那样小时候就聪慧早熟，四、五岁时还不大会说话，以至于父母真怕这孩子会痴傻，中学毕业时又没拿到毕业证。但是他却很喜欢抽象的思维，刚上中学时领到一本新几何课本，他立即被那里面严密地逻辑证明迷住了，以至于老师还没有正式开课，他早把这本书自学完了。他喜欢自己学习、思考，他讨厌学校那种强制性的教学法，他说：“依我看，学校若主要靠恫吓、威胁和人为的权威教学，那是最坏的。这种教学方法摧残了学生们的健康感情、诚恳正直和信心，培养出来的是唯唯诺诺的庸碌之辈。”爱因斯坦是一个天生不愿受任何约束的人，他大学毕业后在伯尼尔专利局当一名审查专利的小职员，这给他提供了一个自由的环境。他与其他三个青年人组织起来成立了自己的“奥林匹亚科学院”，经常东南西北地乱扯闲谈，从物理到哲学无所不包，而新思想就在这种碰撞中闪出了火花。大凡一种新科学思想的生成，一是要有充分的外部自由，没有什么旁加的干涉和硬派定的题目，纯出于研究者自觉的兴趣，自由地干他所想干的事，如牛顿在家乡躲瘟疫而发现万有引力，如孟德尔在修道院发现遗传规律，如卡文迪许把自己关在房里发现氧气。二是要敢想，如哥白尼敢把旧天文学倒转过来，如赫胥黎敢想像人是猴子变的，如普朗克敢把连续的辐射想像成不连续的能量子。爱因斯坦就具备了这两条。他还是一个16岁的中学生时，就想：要是人和光速一样快地运动，会是什么样子。他26岁时在专利局作着小职员，听到了迈克尔逊的一系列实验和洛伦兹修修补补的解释，便大笔一挥连续写了三篇论文，提�