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在人们的脑海中，物理学通常有两个组成部分。第一个组成部分是不食人间烟火并在黑板上写满令人费解的方程式的怪异科学家，他们可能还有一些其他特征，比如蓬乱的头发，或在所有场合都穿着不合时宜的衣服与鞋子。不过，爱因斯坦访问林肯大学的那一段插曲告诉我们，物理学家更多的是跟众人一样，无论好坏，他们都生活在自己的时代，并在某些时刻尝试影响它。核物理学中的另一位主角——德国化学家弗里茨·施特拉斯曼（Fritz Strassmann），他与莉泽·迈特纳（Lise Meitner）、奥托·哈恩（Otto Hahn）一起发现了核裂变。他还在1943年将犹太音乐家安德里亚·沃尔芬斯坦（Andrea Wolffenstein）藏在自己在柏林的家中好几个月，以免她被驱逐出境。施特拉斯曼是纳粹主义的激烈反对者。“尽管我是如此热爱化学，但我更珍视我的自由，为维护自由，我宁愿以敲碎石为生”，这是他因德国化学学会被纳粹管控愤而辞职后说过的话，但这使他在当时很难再找到工作。由于他为沃尔芬斯坦做的一切，施特拉斯曼现在被铭记在犹太人大屠杀纪念馆中的正义者名单中。
物理学的第二个组成部分是方程式。物理学当然不是一门容易的学科，但它的许多最具革命性的成果，都以极为简洁且优雅的方式表达出来。例如：
c =cos t
的确，我们很难相信在这个简单的表述背后隐藏着一大段爱因斯坦的狭义相对论，但事实就是这样。我们一起来探究下这个方程式吧。
让我们从这个方程式的主角——光开始。首先，我们必须仔细考虑“光”这个词。在人类的经验中，我们将光与视觉联系在一起，但实际上，对于物理学家来说，这个名词具有更广泛的含义。我们看到的光，本质上是在太空中传播的电磁波。与任何其他波一样，比如海浪、声波、体育场里起伏的欢呼声等，电磁波同样也是通过某个物理量的周期性变化来传递信息。
对于声波来说，这个物理量是空气压力；对于大海中的波浪来说，这个物理量是水位；对于体育场里起伏的欢呼声来说，这个物理量是看台上的位置。对于电磁波来说，这个物理量是电磁场，一个虽然无形却非常实在的实体，物理学家用它来描述空间和物质的某些特性，比如自古以来就广为人知的电和磁的部分特性。古希腊人就已经知道，摩擦一小块琥珀就能使它吸附稻草，而一些天然存在的石头（磁铁矿）可以吸附铁器。两千多年前，中国人就已经可以利用物质与地磁场的相互作用，并由此发明了现代指南针的原型。
然而，直到19世纪，人们才充分理解了电磁学的基本定律，并制作了验证该理论的装置——通过一个电气元件和一个磁性元件验证了电生磁。正如我们现在看到的，麦克斯韦用4个基本方程表达了电场和磁场及其来源——电荷和电流之间的关系。从19世纪末到20世纪初，在理论研究的同时，电磁学也进入了实用发展阶段：城市开始被电灯照亮，人与人之间的距离随着电报和无线电传输的使用而大大缩短，电动机进入工厂。
爱因斯坦的研究工作就是在这种不断创新和充满活力的背景下开始的，但当时的基础理论研究对一名物理学家来说也存在着极大的问题。爱因斯坦和所有物理学家一样，深受伽利略和牛顿经典力学的影响。250多年的知识体系不仅深入人心，而且在天体运动等相关方面取得了非凡成果。牛顿力学的应用场景是可以用一个坐标系表示的三维空间：三条轴相互垂直且具有共同的原点，在坐标系中可以用三个数字组成的坐标识别任意一点。
这里用海战文件作为坐标系的一个例子，在文件中每个位置都可以由一个字母和一个数字坐标确认。在测量空间时，每个人都可以选择参考系。比如，我住在威尼斯，如果我描述帕多瓦，我会说它离这里有38千米，而不会说它离吉森有984千米，离罗维戈有43千米。 而在经典物理学上，时间是绝对且不可改变的，随着时间的推移而发生的动作和行为对于每个人来说都是一样的，并且在过去与未来之间有一个清晰明确且普遍共识的界限。 简单地说，就是在经典物理学中，空间和时间是严格分开的。
经典力学的核心是伽利略变换，它预设物体在不同的以恒定速度相对运动的系统中始终具有相同的形式。 换言之，无论我们是在客厅里或是在时速300千米的火车上打台球，描述球体运动的定律都是保持不变的，因此，我们无法通过观察它们的运动判断我们是静止的还是正在移动的。进行判断的唯一方法是转换坐标系，而伽利略为我们提供了精确的变换公式。因此，我们也无法通过物理实验来确定一种介质是静止的还是匀速运动的。伽利略在描述船舱实验时非常清楚地说明了这一点。在船舱中我们看不到外面的任何东西，从而无法通过观察海岸等参照物判断船是否在移动，此时只要让船只进行匀速运动而非忽快忽慢的运动，我们就无法意识到任何细微的变化，也就无法得知船是在航行还是静止不动。
伽利略变换和牛顿经典力学对物理世界的认知是一致的。可是后来有了一门新的学科——电磁学。它和麦克斯韦方程组一样，非常简洁且有许多实际应用。但问题是伽利略变换在电磁学中无法成立。一些涉及电磁场的基本定律在彼此存在匀速相对运动的两个惯性参考系间并不适用，而爱因斯坦在相对论中也承认了这一点。由博拉蒂·博林吉里出版社于意大利出版的《狭义与广义相对论浅说》中提到：“相对论原理的有效性问题已经成熟到可以被质疑，而这个问题的答案也有可能是否定的。”
爱因斯坦用狭义相对论解决了相对论原理有效性的问题。爱因斯坦从相对论原理出发，假设该理论是正确的，甚至将其从单纯的力学扩展到了包括电磁学在内的所有物理学。但在此基础上，他补充了第二个假设，也就是公式 c =cos t ，即在所有惯性参考系中，光总是以相同的速度 c 传播。这看似只是件小事，但它彻底改变了物理学。
让我们再举个有助于理解的例子。假设我们在一艘以每小时20千米的速度行驶的客船的甲板上，这时我们以每小时10千米的速度向船头的方向奔跑。这里的每小时10千米的速度自然是相对于随船移动的参考系而言的。而对于在岸上静止不动的朋友来说，我们的奔跑速度是每小时30千米，这是因为除了我们奔跑的速度还得加上船的行进速度。但是对于光而言，在测量光速时，无论在哪个参考系，我们得到的速度都是299 792.458千米／秒。
光速是一个基本常数，且不依赖于任何参考系，这一发现直接改变了人类的空间和时间概念。 在伽利略变换原理中，当一个物体从一个参考系转换到另一个参考系时，其长度保持不变。比如台球桌的长度和宽度，无论是在火车上还是在客厅里测量，其数值都保持不变，船的长度和我们跑过的长度也是如此。对伽利略变换来说，时间和空间都是绝对的。
但爱因斯坦的出现，使一切都改变了。为了使不变性原理与光速的普适性相一致，这位物理学家修改了伽利略变换原理。首先是空间，在狭义相对论中，物体在运动方向上的长度比它静止时的长度短。其次是时间，在伽利略变换中，时间是一个独立于参考系和物体空间位置的参数。 但爱因斯坦让时间失去了其作为绝对实体的超级特权，他将时间与空间混合，使两者不再绝对。 狭义相对论表明时间在移动系统中会膨胀，即在快速移动的系统中时间流逝得更慢。
但我们通常不会意识到这一点，因为只有当参考系之间的相对速度接近光速时，长度收缩、时间膨胀等效应才有意义。伽利略变换用于描述日常世界，以及我们通常理解的日常经验。而光速是人类经验中难以达到的速度，这就是伽利略变换在大部分情况下都适用的原因，但它对整个世界来说并不完整。
光速，更确切地说是真空中电磁波的速度，是我们认识世界科学 的支柱之一，是大自然的一个不可改变的特征，是一个基本常数。以这个不变常数为基础的相对论，从诞生那一刻起，就成为所有物理学的标准。 正如爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》一书中所说：“时空转换是一个非常精确的数学条件，相对论将其规定为一个自然法则；因此，相对论成为探索一般自然法则的有效的启发式工具。如果你发现了不符合这一条件的一般自然法则，那该理论的两个基本假设中至少会有一个不成立。”