爱因斯坦132相对论演说11.1
爱因斯坦132相对论演说11.1
1911年1月16日，爱因斯坦在苏黎世自然研究者协会的会议上发表了演讲，此前1910年12月11日在写给瑞士联邦技术大学植物学教授和苏黎世自然科学家协会主席卡尔·施罗特（CarlSchröter）信中他曾经提到了此事（见《爱因斯坦130》），演讲的题目为《相对论》，爱因斯坦的这篇演说第一次正式使用了相对论这一词汇来指代自己的狭义相对论，其演说简单的介绍了狭义相对论中以太是否存在的问题、时间和空间的洛伦兹变换以及尺缩、钟慢、质能方程等相关内容。
爱因斯坦的这次演说以相对性原理开篇，认为其是相对论的基本支柱之一：
“作为所谓“相对论”这种理论的基本支柱之一的是所谓的相对性原理。……相对性原理叙述如下：如果这两位物理学家利用他们的所有装备来研究自然界的所有规律，一位在静止的实验室中而另一位则在火车上的实验室中，则他们将发现完全相同的自然规律，如果火车并不摇摆而是以均匀运动前进的话。我们可以稍微抽象地说：按照相对性原理，自然规律是和参照系的平移运动无关的。”
而最近几十年光学和热力学的发展貌似违反了古典的相对性原理，而矛盾的焦点就聚集在了光以太是否存在以及运动物体的光学现象和电磁性质上：
“光显示干涉和衍射，完全像声波那样，因此人们就觉得必须把光看成一种波动，或者普遍地说是看成某种媒质的周期性状态变化。这种媒质被称为“以太”。直到最近为止，这样一种媒质的存在在物理学家们看来似乎是毋庸置疑的。
……
只要人们处理的仅仅是静止物体的光学现象，人们就没有理由去思索这种媒质的除了被假设为构成光的那种运动以外的其他运动。人们简单地假设，除了被假设为构成光的那种振荡运动以外，这种媒质和所考虑的各个物质体都处于一种静止状态。
一旦人们开始考虑运动物体的光学现象并同时考虑与此有关的运动物体的电磁性质，人们就必须问问，如果我们传给所考虑物理体系中的那些物体以不同的速度，则光学以太的表现将是怎样的。”
演说就此第三次进入了探讨以太的阶段，爱因斯坦前两次专门探讨以太分别为1909年9月21日在德国自然科学家和医生协会第81次大会物理学组会议上做的波粒二象性演说《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》（见《爱因斯坦108》）和1910年1月15日简述狭义相对论论文《相对性原理及其在近代物理学中的影响》上半部分（见《爱因斯坦112》）。
这次演说依然介绍了法国物理学家菲佐（ArmandHippolyteLouisFizeau，1819年-1896年）1851年测定光的曳引系数的实验，其证明以太不完全随着物质运动，光相对于水管的速度没有按伽利略变换直接速度叠加，而是与光传播媒质的折射率n有关：
“如果光学以太果然是随管中液流而一起运动的，那就会得到下述的图景。如果我们假设光在静止的水中是以速度V而传播的，那么V就是光相对于水的速度，而υ则是水相对于管子的速度，于是我们就必须说：
如果光学以太附着在水上，则光相对于水的速度永远相同；不论水是运动的还是静止的。因此就应该预期，如果液体是运动的，则光相对于管子的传播速度要比液体不动时大υ。
……
菲佐发现，水的运动并不是使光相对于管子的速度增大υ，而是只增大此值的一个分数[υ（1-1/n2），如果n代表液体的折射率的话]（注：即光速相对于管子的速度变化值低于伽利略速度叠加原理给出的简单的速度直接加减的数值）。如果这个折射率很近于1，就是说，如果光在液体中几乎和在真空中传播得同样快，则液体的运动实际上就没有什么影响。
由此就必须得出结论说，关于光永远以同一速度V相对于水而传播的那种观念是和经验不相容的。”
之后，演说再次介绍了亨德里克·安东·洛伦兹1895年创立的以太完全静止不动的假说，其认为将物质和以太连接起来的惟一纽带是电荷和电磁场的相互作用，但这个理论也包含了绝对静止参照系，即相对于光媒质为静止的参照系，而且就着洛伦兹的理论爱因斯坦还拉上了以太绝对静止必然导致光学实验结果各向异性的结论，虽然洛伦兹理论以物体在运动方向上发生收缩的理念其实已经消除了以太与地球相对速度检测为零的实验结果：
“任何相对于以太为静止的物体，都可以在一定意义上被说成是绝对静止的。相对于以太为静止的参照系是不同于一切其他无加速参照系的。在这种意义上，关于静止光学以太的洛伦兹基本概念是不满足相对性原理的，静止光学以太的概念将引向下述的普遍论点：
设一个参照系k是相对于光学以太而静止的。设另一个参照系k´是相对于光学以太而匀速运动的。应该预期，k´的相对于以太的运动将对那些相对于k´为成立的自然规律有一种影响。
因此就曾经预期，由于k´在光学以太中的运动，相对于k´的自然规律将不同于相对于k的自然规律。
再者，人们还必须告诉自己，地球和它的那些实验室不可能在整年之内都相对于光学以太为静止，也就是说，地球因此就必须担任参照系k´的角色。因此当时人们就必须假设，某种现象能够被找到，在该现象中这种运动对我们实验室中各实验的影响将会突现出来。人们将想到，由于这种运动，我们在地球上所看到的物理空间将在不同的方向上显示不同的性能。但是从来没有任何一个事例可以证实这样的事情。”
由此，菲佐实验证明以太不和物质一起运动，因为其实验说明光相对于管子的传播速度比液体不动时的变化值不是υ，而是υ（1-1/n2），即以太不完全随着物质运动，而是部分随着物质运动；而种种检测以太和物质相对运动的实验又给出了零结果。
虽然包含了洛伦兹变换的洛伦兹物质收缩假设给出了物质和以太相对运动无法检测到的一种假说解释，但其解决方式却令人感到突兀，爱因斯坦认为其是奇特的假说。当然，此次演说爱因斯坦没提洛伦兹的物质收缩假设一定程度上解释了物质和以太相对运动检测为零的实验结果，而只是强调了菲佐实验证明以太不和物质一起运动，两者之间有相对运动，但实验又无法检测到这种相对运动，这就造成了矛盾：
“于是人们在有关以太的方面就陷入了一种尴尬的处境。菲佐的实验说：以太不和物质一起运动，也就是说，存在一种光媒质相对于物质的运动。但是探测这种相对运动的所有尝试都给出了反面结果。
这是两种似乎相互矛盾的结果，而使物理学家们大为烦恼的是他们无法消除这种不愉快的抵触情况。他们注定要问自己，归根结蒂，是不是真正不可能把怎么也找不出例外情况的相对性原理和洛伦兹理论协调起来呢?”
接着，在洛伦兹静止光学以太理论的废墟中爱因斯坦提取了光速不变原理，即光速与发光物体的运动状态无关，并将接下来的任务归结为协调光速不变原理和自然而然天然正确毫无怀疑余地的相对性原理：
“我们将从洛伦兹的静止光学以太理论中抽取出对我们最关紧要的下述几点。存在一种静止的光学以太，这种说法的物理意义是什么？
这一假说的最重要内涵可以表达如下：存在一个参照系(在洛伦兹理论中叫做“相对于以太为静止的参照系”)，相对于该系来说，每一条光线都以共同的速度c在真空中传播。这一点应该成立，不取决于发光物体是运动的还是静止的。我们将把这种见解称为光速不变原理。
于是，我们刚刚提出的问题也可以表述如下：是不是果真不可能把似乎无例外地得到满足的相对性原理和光速恒定性原理协调起来？”
首先，即使认可光速不变原理，即光速与发光物体的运动状态无关，但承认伽利略速度叠加公式时却是违反相对性原理的，光速对参照系k为c，但按伽利略速度叠加公式对参照系k´来说则光速必然不为c：
“在开始时，下列的明显考虑似乎否定这种可能性：如果每一条光线都相对于参照系k而以速度c传播，则这种说法相对于参照系k´不可能是对的，如果k´是相对于k而运动着的话。
因为，如果k´是以速度υ而沿着光线的传播方向运动的，则按照我们的习惯看法，光线相对于从k´的传播速度应该被认为等于c-υ。于是，光相对于k´的传播规律将不同于相对于k的传播规律。而这就将意味着对相对性原理的一次违反。这是一个可怕的两难问题。”
爱因斯坦认为这个“可怕的两难问题”与大自然无关，而是人们物理学思维基础中一些随意性的假设导致的，即人们默认了时间和空间的绝对性：
“然而事实证明大自然是对这种两难问题没有责任的；相反地，这种困难发源于这样一件事实：
在我们的论证中，包括在刚刚工作出的论证中，我们曾经作出了一些暗含的和随意的假设（注：时间和空间的绝对性，即绝对时间和绝对空间），而为了对事情得出一种一致的和简单的解说，必须把这些假设舍去。”
之后，爱因斯坦就具体阐述了绝对时间和绝对空间为何不可取。爱因斯坦指出利用坐标来指示空间位置是一些特定操作的结果，其具有一种完全确定的物理意义，由此，人们可以验证一个特殊的、给定的点是不是具有所指出的坐标；
而对于时间，人们则总是满足于认为“时间”是各事件的独立变量，但是一个实际上在发生着的事件的时间值却从来不能根据这一定义来测量，为此，爱因斯坦提出了一种方法来定义时间，通过这种方法可以测量时间，此种方法即为借助光速来调整时钟的读数，使参照同一参照系k的不同位置的时钟同步，则不同位置时钟的读数就是参照系k的时间：
“我们现在将假定，光在真空中从某点A到某点B的传播速度和从B到A的传播速度相同。借助于这一假定，我们就确实有条件来调整我们已经安放在各点上的相对于系k为静止的一些全同构造的钟了。
例如，我们可以把A、B二点上钟拨得可以得出下列结果：如果在时刻t(用A点的钟测量)从A射向B的一条光线必将在时刻t+a(用Ｂ点的钟测量)到达B，则反过来，在时刻t(用B点的钟测量)从B射向A的一条光线必将在时刻：t+a(用A点的钟测量)到达A。这就是调整分布在系中的一切时钟所必须遵守的规则。
如果我们遵循这条规则，我们就将从测量物理学的立场得到时间的一种定义。这就是说，一个事件的时间，就是位于事件所在处的已按我们刚刚描述了的规则调整好的那个时钟上的读数。”
时间的诡异之处就在于另一个惯性系k´的时间未必等于参照系k的时间，即参照系时间和参照系的运动状态有关：
“当然，我们也可以完成完全相同的操作，如果我们有相对于k而匀速运动着的另一个系k´的话。我们可以相对于这个坐标系k´在整个空间中分布上一组时钟，但是必须使它们全都和k´一起运动。然后我们就可以精确地按照以上描述了的规则来调整这些相对于k´为静止的时钟。如果我们这样做，我们同样就得相对于系k´的时间。
但是这不能先验地说明，当两个事件相对于参照系k(我所说的参照系是指坐标系以及那些时钟)为同时时，它们就像一般所理解的那样相对于系k´也为同时。这里并不是说时间有一种绝对的，即不依赖于参照系运动状态的意义。那是包含在我们的运动学中的一种随意性。”
运动学中另一种随意性则是空间的绝对性，爱因斯坦以棒的长度来说明，一种测试棒长的方法为带着尺子的、与棒同速度的人直接测量，即为测量静止物体的长度：
“现在我们再看第二个因素，那迄今为止也是运动学中的一种随意性。我们谈到一个物体的形状，例如一根棒的长度，并且相信我们确切地知道棒的长度是什么，即使当它相对于我们据以描述它的那个参照系而运动时也是如此。
然而稍微回想一下就会明白，这些概念根本不像我们本能地相信的那样简单。试考虑沿其轴线相对于参照系k而运动的一根棒。我们问：这根棒的长度是什么？
这个问题只可能有如下的意义：为了知道棒长是什么，我们必须完成什么样的实验？
我们可以找一个带着尺子的人并把他推一下，使他和棒得到相同的速度；在这种情况下，他就相对于棒为静止，从而就能一次次地把尺子比在棒上，就像通常测量静止物体的长时那样。他将得到一个完全确定的数字，而且可以在一定程度上有理由宣称他已经测量了这根棒的长度。”
另一种测试棒长的方法为通过校正好的时钟同一时间测定棒两端的空间坐标再相减得出棒长：
“然而，如果只能找到并不和棒一起运动而却全都相对于参照系为静止的观察者，我们就可以按下述方式来进行：
我们设想把许许多多的时钟分布在沿轴运动的棒的路径上，每一个钟旁都站着一个观察者。这些钟是按照以上所述的规则而借助于光信号调整好了的，从而它们的全体就指示着附属于参照系k的时间。
这些观察者相对于系k测定两个位置，那就是棒的前后两端在一个给定的时刻t所达到的那两个位置；或者，这也等于说，确定那样两个钟，当它们所指示的时刻为t时，棒的前后两端正好从它们旁边经过。然后，这样得到的两个位置(或两个钟)之间的距离，就通过把一个相对于参照系k为静止的尺子沿着连线一次次地比过去而测量出来。”
空间的绝对性即是默认上述两种检测手法给出的棒长一样，而实际上他们却是不一样的：
“这两次手续的结果就有理由被看成运动棒的长度。然而必须指出，这两种作法并不一定导致相同的结果，或者换句话说，一个物体的线度不一定和据以测量各该线度的那一参照系的运动状态无关。”
以牛顿力学为基础的经典物理学对于不同惯性系之间空间和时间坐标的变换就是以上述两种运动学的随意性假设——绝对时间和绝对空间——为根基的，放弃他们的话，则经典物理学对不同惯性系之间空间和时间坐标的变换就无能为力了：
“如果我们不承认这两条随意性的假设，则我们首先将不再能够解决下述问题：已知一个事件相对于系ｋ的坐标x、y、z和时间t，求同一事件相对于另一系k´的空间-时间坐标x´、y´、z´、t´，而系k´是相对于系k作着已知的匀速平移运动的。
经发现，这个问题的习见的简单解，是建筑在我们刚才已经确定其为随意性的那两条假设上的。”
而解决上述矛盾的过程则产生了狭义相对论，其以相对性原理和光速不变原理为基础原则，从原则上导出了被称作洛伦兹变换的坐标变换方程：
“如何把运动学摆端正呢？答案是不言而喻的：当年把我们引向那么多伤脑筋的困难的那同一种情况，现在却把我们引向一条可通行的道路，就是说，通过放弃以上所述的那些随意性的假设，我们可以得到更大的活动范围。
因为事实证明，正是那两条由经验加给我们的表面看来不相容的公理，即相对性原理和光速不变原理，就把我们引向了空间-时间变换问题的完全确定的解（注：即洛伦兹变换）。我们得到一些结果，其中一部分和我们习惯了的观念相当抵触。”
之后，爱因斯坦就简述了根据狭义相对论的洛伦兹变换得出的一些和人们习惯了的观念相当抵触的一些结论：
一、尺缩效应
匀速运动的物体与静止时相比，在运动方向上发生尺寸收缩，其收缩比例为洛伦兹因子√[（1-υ2/c2）]，υ为物体运动速度，c为光速。
由此，静止球形运动时为椭球形，达到光速时则收缩为一个平面：
“如果物体在静止状态下呈球形，若我们使它沿某一方向运动起来，它就将呈扁椭球形。当它的速度达到光速时，它就会收缩成一个平面。
然而，从一个随同运动的观察者看来，物体在运动之前和运动之中都保持其球形。另一方面，从随物体而运动的观察者看来，所有不跟着他一起运动的物体也显得是按照完全相同的方式而在相对运动的方向上发生了收缩。
这种结果将不再显得那么奇怪，如果人们考虑到一件事实的话，那就是，关于运动物体之形状的判断具有一种相当复杂的意义，因为按照以上所说，这种形状只能通过时间的测定来判断。
人们觉得，“运动物体的形状”这个概念有一种一目了然的意义；这种感觉是由于一件事实：在我们的日常经验中，我们习惯于遇到的只是一些和光速相比实际上可以看成无限小的运动速度。”
二、钟慢效应
运动的钟相比静止时要走的慢，其时间间隔变长，比例为1/√[（1-υ2/c2）]，而此处的时钟不过是一切物理现象的一种简单的代表。而这也引出了所谓的时钟佯谬：
“当设想按照下述方式来办时，事情就最好玩了：人们传给这个时钟一个很大的速度(几乎等于c)，然后就让它在匀速运动中继续飞行，而当它已经走过了很长的一段路以后，人们又沿相反的方向传给它一个动量，以使它回到原来的出发点。
于是就会发现，在时钟的整个旅程中，它的指针位置几乎没有改变，而静止在出发点上的一个构造完全相同的时钟却在整个这段时间内大大改变了它的指针位置。
必须再指出，我们引用时钟只是作为一切物理现象的一种简单的代表，对于时钟成立的情况，对于任何其他构造的闭合物理体系也同样成立。”
三、由静止定律推广到运动定律
利用洛伦兹变换可以从已知的适用于静止物体或缓慢运动物体的定律推得适用于随便多快的运动物体的定律，将此种方法应用到快速阴极射线的运动定律已得到了实验的完美验证：
“在相对论的物理上很重要的推论中，我们必须提到下列的推论：我们在前面已经看到，按照相对论，一个运动的钟要比同一个钟在处于静止状态时走得慢一些。也许永远不能用一个怀表来验证这一点，因为我们所能给予怀表的速度和光速相比是小得微不足道的。
但是大自然却给我们准备了一些客体，它们具有和钟表十分相同的特征，而且是可以运动得非常地快的。这些就是发射光谱线的原子，而我们借助于电场可以使它们得到每秒若干千公里的速度(极隧射线)。
按照理论，可以预期这些原子的振动频率应该显得会受到它们的运动的影响，其方式正和由运动的钟表推得的方式完全相同。即使有关的实验会有很大的困难，我们却确实希望在今后的几十年内将用这种办法得到相对论的证实或否定。”
四、质能方程
质能方程E=mc2，可能是爱因斯坦最知名的方程，也是最大众化的方程，因为他比引力场方程的涵义更通俗，形式更简单，同是还是核反应巨大能量的理论基础：
“理论还导致一个重要结果，即一个物体的惯性质量依赖于它所含的能量，尽管其依赖程度是如此地小，以致直接的证明显得是毫无希望的。如果物体的能量增加E，则惯性质量增加E/c2。
这一定理推翻了质最守恒原理，或者说，把这一原理和能量守恒原理结合成了单独一条原理。
不论这一结果可能显得多么奇怪，人们在少数特例中却可以甚至不用相对论就能根据经验上的已知事实无可争辩地得出结论说惯性质量是随着所含能而递增的。”
五、四维时空
狭义相对论高度数学化的发展就是闵可夫斯基提出的四维时空理论，将时间作为与三维空间坐标等同的地位进行数学处理便得到了四维时空的理念：
“相对论的变换方程被构造得以表示式x2+y2+z2-c2t2为其不变式（注：光速不变原理的数学表达）。
如果我们引用虚变量ct·√-1=τ来代替时间t作为时间变量，这一不变式就采取形式x2+y2+z2+τ2。
在这里，空间坐标和时间坐标扮演了相同的角色。空间坐标和时间坐标在相对论中的这种形式等价性的进一步追索，导致了理论的一种非常概括的表象，使得理论的应用大大地变容易了。物理事件在一个四维空间中被表示了出来，而所得结果的空间-时间关系则表现为这一四维空间中的几何定理。”
爱因斯坦1911年1月16日在苏黎世自然研究者协会的会议上的《相对论》演说就此结束了，此文最终于11月27日在《苏黎世研究院》（《NaturforschendeGesellschaftinZürich》）上发表。
1911年1月16日，爱因斯坦在苏黎世自然研究者协会的会议上发表了演讲，此前1910年12月11日在写给瑞士联邦技术大学植物学教授和苏黎世自然科学家协会主席卡尔·施罗特（CarlSchröter）信中他曾经提到了此事（见《爱因斯坦130》），演讲的题目为《相对论》，爱因斯坦的这篇演说第一次正式使用了相对论这一词汇来指代自己的狭义相对论，其演说简单的介绍了狭义相对论中以太是否存在的问题、时间和空间的洛伦兹变换以及尺缩、钟慢、质能方程等相关内容。
爱因斯坦的这次演说以相对性原理开篇，认为其是相对论的基本支柱之一：
“作为所谓“相对论”这种理论的基本支柱之一的是所谓的相对性原理。……相对性原理叙述如下：如果这两位物理学家利用他们的所有装备来研究自然界的所有规律，一位在静止的实验室中而另一位则在火车上的实验室中，则他们将发现完全相同的自然规律，如果火车并不摇摆而是以均匀运动前进的话。我们可以稍微抽象地说：按照相对性原理，自然规律是和参照系的平移运动无关的。”
而最近几十年光学和热力学的发展貌似违反了古典的相对性原理，而矛盾的焦点就聚集在了光以太是否存在以及运动物体的光学现象和电磁性质上：
“光显示干涉和衍射，完全像声波那样，因此人们就觉得必须把光看成一种波动，或者普遍地说是看成某种媒质的周期性状态变化。这种媒质被称为“以太”。直到最近为止，这样一种媒质的存在在物理学家们看来似乎是毋庸置疑的。
……
只要人们处理的仅仅是静止物体的光学现象，人们就没有理由去思索这种媒质的除了被假设为构成光的那种运动以外的其他运动。人们简单地假设，除了被假设为构成光的那种振荡运动以外，这种媒质和所考虑的各个物质体都处于一种静止状态。
一旦人们开始考虑运动物体的光学现象并同时考虑与此有关的运动物体的电磁性质，人们就必须问问，如果我们传给所考虑物理体系中的那些物体以不同的速度，则光学以太的表现将是怎样的。”
演说就此第三次进入了探讨以太的阶段，爱因斯坦前两次专门探讨以太分别为1909年9月21日在德国自然科学家和医生协会第81次大会物理学组会议上做的波粒二象性演说《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》（见《爱因斯坦108》）和1910年1月15日简述狭义相对论论文《相对性原理及其在近代物理学中的影响》上半部分（见《爱因斯坦112》）。
这次演说依然介绍了法国物理学家菲佐（ArmandHippolyteLouisFizeau，1819年-1896年）1851年测定光的曳引系数的实验，其证明以太不完全随着物质运动，光相对于水管的速度没有按伽利略变换直接速度叠加，而是与光传播媒质的折射率n有关：
“如果光学以太果然是随管中液流而一起运动的，那就会得到下述的图景。如果我们假设光在静止的水中是以速度V而传播的，那么V就是光相对于水的速度，而υ则是水相对于管子的速度，于是我们就必须说：
如果光学以太附着在水上，则光相对于水的速度永远相同；不论水是运动的还是静止的。因此就应该预期，如果液体是运动的，则光相对于管子的传播速度要比液体不动时大υ。
……
菲佐发现，水的运动并不是使光相对于管子的速度增大υ，而是只增大此值的一个分数[υ（1-1/n2），如果n代表液体的折射率的话]（注：即光速相对于管子的速度变化值低于伽利略速度叠加原理给出的简单的速度直接加减的数值）。如果这个折射率很近于1，就是说，如果光在液体中几乎和在真空中传播得同样快，则液体的运动实际上就没有什么影响。
由此就必须得出结论说，关于光永远以同一速度V相对于水而传播的那种观念是和经验不相容的。”
之后，演说再次介绍了亨德里克·安东·洛伦兹1895年创立的以太完全静止不动的假说，其认为将物质和以太连接起来的惟一纽带是电荷和电磁场的相互作用，但这个理论也包含了绝对静止参照系，即相对于光媒质为静止的参照系，而且就着洛伦兹的理论爱因斯坦还拉上了以太绝对静止必然导致光学实验结果各向异性的结论，虽然洛伦兹理论以物体在运动方向上发生收缩的理念其实已经消除了以太与地球相对速度检测为零的实验结果：
“任何相对于以太为静止的物体，都可以在一定意义上被说成是绝对静止的。相对于以太为静止的参照系是不同于一切其他无加速参照系的。在这种意义上，关于静止光学以太的洛伦兹基本概念是不满足相对性原理的，静止光学以太的概念将引向下述的普遍论点：
设一个参照系k是相对于光学以太而静止的。设另一个参照系k´是相对于光学以太而匀速运动的。应该预期，k´的相对于以太的运动将对那些相对于k´为成立的自然规律有一种影响。
因此就曾经预期，由于k´在光学以太中的运动，相对于k´的自然规律将不同于相对于k的自然规律。
再者，人们还必须告诉自己，地球和它的那些实验室不可能在整年之内都相对于光学以太为静止，也就是说，地球因此就必须担任参照系k´的角色。因此当时人们就必须假设，某种现象能够被找到，在该现象中这种运动对我们实验室中各实验的影响将会突现出来。人们将想到，由于这种运动，我们在地球上所看到的物理空间将在不同的方向上显示不同的性能。但是从来没有任何一个事例可以证实这样的事情。”
由此，菲佐实验证明以太不和物质一起运动，因为其实验说明光相对于管子的传播速度比液体不动时的变化值不是υ，而是υ（1-1/n2），即以太不完全随着物质运动，而是部分随着物质运动；而种种检测以太和物质相对运动的实验又给出了零结果。
虽然包含了洛伦兹变换的洛伦兹物质收缩假设给出了物质和以太相对运动无法检测到的一种假说解释，但其解决方式却令人感到突兀，爱因斯坦认为其是奇特的假说。当然，此次演说爱因斯坦没提洛伦兹的物质收缩假设一定程度上解释了物质和以太相对运动检测为零的实验结果，而只是强调了菲佐实验证明以太不和物质一起运动，两者之间有相对运动，但实验又无法检测到这种相对运动，这就造成了矛盾：
“于是人们在有关以太的方面就陷入了一种尴尬的处境。菲佐的实验说：以太不和物质一起运动，也就是说，存在一种光媒质相对于物质的运动。但是探测这种相对运动的所有尝试都给出了反面结果。
这是两种似乎相互矛盾的结果，而使物理学家们大为烦恼的是他们无法消除这种不愉快的抵触情况。他们注定要问自己，归根结蒂，是不是真正不可能把怎么也找不出例外情况的相对性原理和洛伦兹理论协调起来呢?”
接着，在洛伦兹静止光学以太理论的废墟中爱因斯坦提取了光速不变原理，即光速与发光物体的运动状态无关，并将接下来的任务归结为协调光速不变原理和自然而然天然正确毫无怀疑余地的相对性原理：
“我们将从洛伦兹的静止光学以太理论中抽取出对我们最关紧要的下述几点。存在一种静止的光学以太，这种说法的物理意义是什么？
这一假说的最重要内涵可以表达如下：存在一个参照系(在洛伦兹理论中叫做“相对于以太为静止的参照系”)，相对于该系来说，每一条光线都以共同的速度c在真空中传播。这一点应该成立，不取决于发光物体是运动的还是静止的。我们将把这种见解称为光速不变原理。
于是，我们刚刚提出的问题也可以表述如下：是不是果真不可能把似乎无例外地得到满足的相对性原理和光速恒定性原理协调起来？”
首先，即使认可光速不变原理，即光速与发光物体的运动状态无关，但承认伽利略速度叠加公式时却是违反相对性原理的，光速对参照系k为c，但按伽利略速度叠加公式对参照系k´来说则光速必然不为c：
“在开始时，下列的明显考虑似乎否定这种可能性：如果每一条光线都相对于参照系k而以速度c传播，则这种说法相对于参照系k´不可能是对的，如果k´是相对于k而运动着的话。
因为，如果k´是以速度υ而沿着光线的传播方向运动的，则按照我们的习惯看法，光线相对于从k´的传播速度应该被认为等于c-υ。于是，光相对于k´的传播规律将不同于相对于k的传播规律。而这就将意味着对相对性原理的一次违反。这是一个可怕的两难问题。”
爱因斯坦认为这个“可怕的两难问题”与大自然无关，而是人们物理学思维基础中一些随意性的假设导致的，即人们默认了时间和空间的绝对性：
“然而事实证明大自然是对这种两难问题没有责任的；相反地，这种困难发源于这样一件事实：
在我们的论证中，包括在刚刚工作出的论证中，我们曾经作出了一些暗含的和随意的假设（注：时间和空间的绝对性，即绝对时间和绝对空间），而为了对事情得出一种一致的和简单的解说，必须把这些假设舍去。”
之后，爱因斯坦就具体阐述了绝对时间和绝对空间为何不可取。爱因斯坦指出利用坐标来指示空间位置是一些特定操作的结果，其具有一种完全确定的物理意义，由此，人们可以验证一个特殊的、给定的点是不是具有所指出的坐标；
而对于时间，人们则总是满足于认为“时间”是各事件的独立变量，但是一个实际上在发生着的事件的时间值却从来不能根据这一定义来测量，为此，爱因斯坦提出了一种方法来定义时间，通过这种方法可以测量时间，此种方法即为借助光速来调整时钟的读数，使参照同一参照系k的不同位置的时钟同步，则不同位置时钟的读数就是参照系k的时间：
“我们现在将假定，光在真空中从某点A到某点B的传播速度和从B到A的传播速度相同。借助于这一假定，我们就确实有条件来调整我们已经安放在各点上的相对于系k为静止的一些全同构造的钟了。
例如，我们可以把A、B二点上钟拨得可以得出下列结果：如果在时刻t(用A点的钟测量)从A射向B的一条光线必将在时刻t+a(用Ｂ点的钟测量)到达B，则反过来，在时刻t(用B点的钟测量)从B射向A的一条光线必将在时刻：t+a(用A点的钟测量)到达A。这就是调整分布在系中的一切时钟所必须遵守的规则。
如果我们遵循这条规则，我们就将从测量物理学的立场得到时间的一种定义。这就是说，一个事件的时间，就是位于事件所在处的已按我们刚刚描述了的规则调整好的那个时钟上的读数。”
时间的诡异之处就在于另一个惯性系k´的时间未必等于参照系k的时间，即参照系时间和参照系的运动状态有关：
“当然，我们也可以完成完全相同的操作，如果我们有相对于k而匀速运动着的另一个系k´的话。我们可以相对于这个坐标系k´在整个空间中分布上一组时钟，但是必须使它们全都和k´一起运动。然后我们就可以精确地按照以上描述了的规则来调整这些相对于k´为静止的时钟。如果我们这样做，我们同样就得相对于系k´的时间。
但是这不能先验地说明，当两个事件相对于参照系k(我所说的参照系是指坐标系以及那些时钟)为同时时，它们就像一般所理解的那样相对于系k´也为同时。这里并不是说时间有一种绝对的，即不依赖于参照系运动状态的意义。那是包含在我们的运动学中的一种随意性。”
运动学中另一种随意性则是空间的绝对性，爱因斯坦以棒的长度来说明，一种测试棒长的方法为带着尺子的、与棒同速度的人直接测量，即为测量静止物体的长度：
“现在我们再看第二个因素，那迄今为止也是运动学中的一种随意性。我们谈到一个物体的形状，例如一根棒的长度，并且相信我们确切地知道棒的长度是什么，即使当它相对于我们据以描述它的那个参照系而运动时也是如此。
然而稍微回想一下就会明白，这些概念根本不像我们本能地相信的那样简单。试考虑沿其轴线相对于参照系k而运动的一根棒。我们问：这根棒的长度是什么？
这个问题只可能有如下的意义：为了知道棒长是什么，我们必须完成什么样的实验？
我们可以找一个带着尺子的人并把他推一下，使他和棒得到相同的速度；在这种情况下，他就相对于棒为静止，从而就能一次次地把尺子比在棒上，就像通常测量静止物体的长时那样。他将得到一个完全确定的数字，而且可以在一定程度上有理由宣称他已经测量了这根棒的长度。”
另一种测试棒长的方法为通过校正好的时钟同一时间测定棒两端的空间坐标再相减得出棒长：
“然而，如果只能找到并不和棒一起运动而却全都相对于参照系为静止的观察者，我们就可以按下述方式来进行：
我们设想把许许多多的时钟分布在沿轴运动的棒的路径上，每一个钟旁都站着一个观察者。这些钟是按照以上所述的规则而借助于光信号调整好了的，从而它们的全体就指示着附属于参照系k的时间。
这些观察者相对于系k测定两个位置，那就是棒的前后两端在一个给定的时刻t所达到的那两个位置；或者，这也等于说，确定那样两个钟，当它们所指示的时刻为t时，棒的前后两端正好从它们旁边经过。然后，这样得到的两个位置(或两个钟)之间的距离，就通过把一个相对于参照系k为静止的尺子沿着连线一次次地比过去而测量出来。”
空间的绝对性即是默认上述两种检测手法给出的棒长一样，而实际上他们却是不一样的：
“这两次手续的结果就有理由被看成运动棒的长度。然而必须指出，这两种作法并不一定导致相同的结果，或者换句话说，一个物体的线度不一定和据以测量各该线度的那一参照系的运动状态无关。”
以牛顿力学为基础的经典物理学对于不同惯性系之间空间和时间坐标的变换就是以上述两种运动学的随意性假设——绝对时间和绝对空间——为根基的，放弃他们的话，则经典物理学对不同惯性系之间空间和时间坐标的变换就无能为力了：
“如果我们不承认这两条随意性的假设，则我们首先将不再能够解决下述问题：已知一个事件相对于系ｋ的坐标x、y、z和时间t，求同一事件相对于另一系k´的空间-时间坐标x´、y´、z´、t´，而系k´是相对于系k作着已知的匀速平移运动的。
经发现，这个问题的习见的简单解，是建筑在我们刚才已经确定其为随意性的那两条假设上的。”
而解决上述矛盾的过程则产生了狭义相对论，其以相对性原理和光速不变原理为基础原则，从原则上导出了被称作洛伦兹变换的坐标变换方程：
“如何把运动学摆端正呢？答案是不言而喻的：当年把我们引向那么多伤脑筋的困难的那同一种情况，现在却把我们引向一条可通行的道路，就是说，通过放弃以上所述的那些随意性的假设，我们可以得到更大的活动范围。
因为事实证明，正是那两条由经验加给我们的表面看来不相容的公理，即相对性原理和光速不变原理，就把我们引向了空间-时间变换问题的完全确定的解（注：即洛伦兹变换）。我们得到一些结果，其中一部分和我们习惯了的观念相当抵触。”
之后，爱因斯坦就简述了根据狭义相对论的洛伦兹变换得出的一些和人们习惯了的观念相当抵触的一些结论：
一、尺缩效应
匀速运动的物体与静止时相比，在运动方向上发生尺寸收缩，其收缩比例为洛伦兹因子√[（1-υ2/c2）]，υ为物体运动速度，c为光速。
由此，静止球形运动时为椭球形，达到光速时则收缩为一个平面：
“如果物体在静止状态下呈球形，若我们使它沿某一方向运动起来，它就将呈扁椭球形。当它的速度达到光速时，它就会收缩成一个平面。
然而，从一个随同运动的观察者看来，物体在运动之前和运动之中都保持其球形。另一方面，从随物体而运动的观察者看来，所有不跟着他一起运动的物体也显得是按照完全相同的方式而在相对运动的方向上发生了收缩。
这种结果将不再显得那么奇怪，如果人们考虑到一件事实的话，那就是，关于运动物体之形状的判断具有一种相当复杂的意义，因为按照以上所说，这种形状只能通过时间的测定来判断。
人们觉得，“运动物体的形状”这个概念有一种一目了然的意义；这种感觉是由于一件事实：在我们的日常经验中，我们习惯于遇到的只是一些和光速相比实际上可以看成无限小的运动速度。”
二、钟慢效应
运动的钟相比静止时要走的慢，其时间间隔变长，比例为1/√[（1-υ2/c2）]，而此处的时钟不过是一切物理现象的一种简单的代表。而这也引出了所谓的时钟佯谬：
“当设想按照下述方式来办时，事情就最好玩了：人们传给这个时钟一个很大的速度(几乎等于c)，然后就让它在匀速运动中继续飞行，而当它已经走过了很长的一段路以后，人们又沿相反的方向传给它一个动量，以使它回到原来的出发点。
于是就会发现，在时钟的整个旅程中，它的指针位置几乎没有改变，而静止在出发点上的一个构造完全相同的时钟却在整个这段时间内大大改变了它的指针位置。
必须再指出，我们引用时钟只是作为一切物理现象的一种简单的代表，对于时钟成立的情况，对于任何其他构造的闭合物理体系也同样成立。”
三、由静止定律推广到运动定律
利用洛伦兹变换可以从已知的适用于静止物体或缓慢运动物体的定律推得适用于随便多快的运动物体的定律，将此种方法应用到快速阴极射线的运动定律已得到了实验的完美验证：
“在相对论的物理上很重要的推论中，我们必须提到下列的推论：我们在前面已经看到，按照相对论，一个运动的钟要比同一个钟在处于静止状态时走得慢一些。也许永远不能用一个怀表来验证这一点，因为我们所能给予怀表的速度和光速相比是小得微不足道的。
但是大自然却给我们准备了一些客体，它们具有和钟表十分相同的特征，而且是可以运动得非常地快的。这些就是发射光谱线的原子，而我们借助于电场可以使它们得到每秒若干千公里的速度(极隧射线)。
按照理论，可以预期这些原子的振动频率应该显得会受到它们的运动的影响，其方式正和由运动的钟表推得的方式完全相同。即使有关的实验会有很大的困难，我们却确实希望在今后的几十年内将用这种办法得到相对论的证实或否定。”
四、质能方程
质能方程E=mc2，可能是爱因斯坦最知名的方程，也是最大众化的方程，因为他比引力场方程的涵义更通俗，形式更简单，同是还是核反应巨大能量的理论基础：
“理论还导致一个重要结果，即一个物体的惯性质量依赖于它所含的能量，尽管其依赖程度是如此地小，以致直接的证明显得是毫无希望的。如果物体的能量增加E，则惯性质量增加E/c2。
这一定理推翻了质最守恒原理，或者说，把这一原理和能量守恒原理结合成了单独一条原理。
不论这一结果可能显得多么奇怪，人们在少数特例中却可以甚至不用相对论就能根据经验上的已知事实无可争辩地得出结论说惯性质量是随着所含能而递增的。”
五、四维时空
狭义相对论高度数学化的发展就是闵可夫斯基提出的四维时空理论，将时间作为与三维空间坐标等同的地位进行数学处理便得到了四维时空的理念：
“相对论的变换方程被构造得以表示式x2+y2+z2-c2t2为其不变式（注：光速不变原理的数学表达）。
如果我们引用虚变量ct·√-1=τ来代替时间t作为时间变量，这一不变式就采取形式x2+y2+z2+τ2。
在这里，空间坐标和时间坐标扮演了相同的角色。空间坐标和时间坐标在相对论中的这种形式等价性的进一步追索，导致了理论的一种非常概括的表象，使得理论的应用大大地变容易了。物理事件在一个四维空间中被表示了出来，而所得结果的空间-时间关系则表现为这一四维空间中的几何定理。”
爱因斯坦1911年1月16日在苏黎世自然研究者协会的会议上的《相对论》演说就此结束了，此文最终于11月27日在《苏黎世研究院》（《NaturforschendeGesellschaftinZürich》）上发表。
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