أظهرت تجربة ميكلسون ومورلي أن الأرض لا تتحرك على نحو ملحوظ نسبة إلى الأثير. وقد اقترح لورنتز وفيتزجيرالد أن الأثير يشوش أجهزة القياس بحيث يحجب هذه الحركة، غير أن ألبرت أينشتاين أدرك أن ثمة تفسيرا أكثر ثورية لهذا؛ أنه لا يوجد أثير من الأساس!

كانت حقيقة أن سرعة الضوء مستقلة عن سرعة كل من المصدر والمستقبل لغزا، مع أنه لا يتضح إلى أي مدى كان أينشتاين واعيا بهذه النتيجة (انظر القسم التالي). على كل حال، بدأ أينشتاين في التفكر في تناظر الأشياء مقارنة بالحركة. وإذا لم يكن هناك أثير فلا يوجد فضاء مطلق، ومن ثم لا توجد حركة مطلقة؛ فالحركة النسبية فقط هي التي لها دلالة مادية.

أدرك أينشتاين أن الضوء إشعاع كهرومغناطيسي حددت معادلات ماكسويل خصائصه. وفكر كيف سيبدو هذا الإشعاع المراقبين اثنين يتحركان بشكل نسبي أحدهما إلى الآخر. ولهذا الغرض تحديدا أجرى سلسلة من «التجارب الفكرية»، تتضمن تخيل مواقف معينة وفقا لما تمليه قوانين الفيزياء.

تساءل أينشتاين في سن السادسة عشرة كيف سيكون الحال لو أنه سافر على متن شعاع ضوئي. إذا كان الضوء ذبذبات كهربائية ومغناطيسية تتحرك في الأثير مثلما تتحرك موجات الصوت في الهواء، فإن هذا يعني أنه مثلما ينتقل الصوت بسرعة ماخ واحد بالنسبة إلى الهواء، فإن الضوء ينتقل بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية بالنسبة إلى الأثير. وسرعة الضوء هذه عادة ما يشار إليها بالرمز c. لم تكن هناك طائرات نفاثة في عام 1900، لكن لو وجدت في ذلك الحين، لتخيل طائرة نفاثة تطير بسرعة واحد ماخ، أي بسرعة تساوي سرعة الصوت، وبهذا تطير بنفس سرعة موجات الضغط المنتشرة عبر الهواء. لو أحللنا الآن الأثير محل الهواء، والضوء محل الصوت، يمكننا تخيل السفر عبر موجة الضوء. لو صح هذا التشبيه لترتب على ذلك عواقب غريبة؛ أولا: إذا نظرت في المرآة فستتلاشى صورتك، إذ إن الضوء الصادر عنك يتحرك نحو المرآة بنفس سرعتك ومن ثم لا يصل إلى المرآة مطلقا، ناهيك عن أنه ينعكس أيضا، إلى أن تصل أنت بنفسك إليها. هذا عجيبا للغاية، لكن على حد علمي، ما من شيء يقضي بأن صورة الفرد حقيقة مطلقة بحيث تستحيل هذه النتيجة. ظهر التناقض الفيزيائي عندما فكر أينشتاين فيما ستسمح به نظرية ماكسويل. إذا تعقبت موجات متذبذبة من المجالين الكهربائي والمغناطيسي ولحقت بها أخيرا، وسافرت إلى جانبها بسرعة الضوء c، فستتبين وقتها أن المجال الكهرومغناطيسي يتذبذب في الفضاء من جانب إلى جانب، لكن لا يتحرك إلى الأمام، ومن ثم ستظل ساكنا. غير أن معادلات ماكسويل لم تقض بهذا الأمر: إن المجالات الكهرومغناطيسية تتحرك بسرعة الضوء. يبدو إذن أنه لو صحت نظرية ماكسويل عن الكهرومغناطيسية، وكل شيء نعرفه يؤكد أنها صحيحة، فمن المستحيل عندئذ أن يتحقق موقف السفر بسرعة الضوء الذي تخيله أينشتاين؛ فمن المستحيل تماما أن نصل إلى سرعة الضوء.

تسبب هذا في جعل أينشتاين يشرع في التفكير في تعريف السرعة ومفهومي المطلق والنسبي. ونتيجة لهذه التجربة الفكرية، تخيل أينشتاين أن ثمة مسافرا على متن قطار يشاهد قطارا آخر يمر بجانبه، وهي التجربة التي ألهمتها ظاهرة مررنا بها كلنا في وقت من الأوقات.

تخيل أنك تجلس في قطار متوقف بإحدى المحطات، وعلى قضيب السكك الحديدية المتاخم قطار آخر متوقف على نحو مؤقت أيضا، لكنه متجه في الاتجاه العكسي. بدافع من تلهفك للتحرك تبدأ في ملاحظة أنك تتحرك مقارنة بعربات القطار المجاور، بسلاسة شديدة حتى إنك لا تشعر بقوة العجلة. لكن حين تمر بآخر عربة من القطار المجاور، تكتشف أنك لا تزال في مكانك بالمحطة، وأن القطار الآخر هو الذي غادر المحطة. يفترض أن أينشتاين طرح السؤال التالي عندما كان يسافر من لندن أثناء دراسته بكلية كنيسة المسيح بجامعة أكسفورد في ثلاثينيات القرن العشرين إذ قال: «متى تصل أكسفورد إلى هذا القطار؟» (تنسب هذه القصة على نحو مشكوك فيه إلى أينشتاين وجامعة كامبريدج، لكنني والناشرين موجودون في جامعة أكسفورد، تماما مثلما كان أينشتاين، منذ  75السفر على متن شعاع ضوئي عاما مضت). يوجد في هذه الأمثلة مفهوم للسكون المطلق، وبالتحديد في موقف محطة القطار والأرض المحيطة بها. ذهب أينشتاين أيضا إلى أنه إذا أُجريت هذه التجربة باستخدام قطارين يتحركان بسرعة ثابتة في الفراغ دون وجود لأثير يحدد حالة السكون التام، فلن تكون هناك وسيلة لنحدد بها أيهما كان يتحرك وأيهما كان ساكنا. طبقا لمعادلات ماكسويل التي تصف سلوك المجالين الكهربائي والمغناطيسي، سيكون لدينا نتیجتان متطابقتان للقطارين، وستبدو سرعة الضوء تحديدا ثابتة للقطارين.

أثبت ميكلسون ومورلي هذه الظاهرة تجريبيا، مع أن هناك جدلا حول هل كان أينشتاين على وعي بهذا أم أنه استنتج أن سرعة الضوء ثابتة من خلال التجربة الفكرية المذكورة آنفا.

زعم أينشتاين في مناسبات مختلفة أنه لم يكن يعرف التجربة في عام 1905 عندما وضع نظرية «النسبية الخاصة». غير أنه في عام 1952 أخبر أبراهام بايس أنه كان على علم بها قبل عام 1905، من خلال قراءته لأبحاث لورنتز وأنه «افترض أن نتيجة ميكلسون هذه حقيقية». أيا كان الأمر، فالظاهرة موجودة ومحيرة لأنها تتعارض مع الحدس، إلا إذا كانت الأفكار «المنطقية» عن المكان والزمان، كما صيغت وقبلت منذ وقت نیوتن، خاطئة.