Согласно Ньютону все природные явления, все связи между телами можно объяснить простыми законами механики. Зная их, можно описать практически все, что происходит вокруг. Тела движутся в пространстве, подчиняясь этим законам, например закону гравитации, и все их передвижения можно выразить с помощью математических формул. В такой Вселенной все подчинялось строгим законам, было упорядочено и рационально. Но концепция Ньютона опиралась на два допущения, проверить которые эмпирическим путем было невозможно: наличие абсолютного времени и пространства, существующих независимо как друг от друга, так и от живых существ и физических тел. Без такого допущения ни одна система мер не была бы оптимальной. Тем не менее блестящую систему Ньютона было очень трудно оспорить, учитывая, что ученые, основываясь на ее законах, могли точнейшим образом измерять распространение звуковых волн, диффузию газов или движение звезд.
В конце XIX века, тем не менее, концепция механической Вселенной Ньютона немного пошатнулась. Отталкиваясь от исследований Майкла Фарадея великий шотландский математик Джеймс Максвелл сделал интересные открытия, касавшиеся свойств электромагнетизма. Работая над своей теорией, позднее получившей название теории электромагнитного поля, Максвелл высказал предположение, что об электромагнетизме следует рассуждать не с точки зрения заряженных частиц, а в терминах силовых линий в пространстве, где могут образовываться электрические и магнитные поля и распространяться импульсы. Согласно его вычислениям электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью около 300 000 км/сек, что, как оказалось, совпадает со скоростью света. Такое совпадение не могло быть случайным. Свет, таким образом, мог быть видимым проявлением целого спектра электромагнитных волн.
Такое представление о физической Вселенной было совершенно новым, революционным; пытаясь увязать ее с идеями Ньютона, Максвелл и его соратники ввели понятие «светоносного эфира», некой субстанции, способной колебаться, порождая электромагнитные волны по аналогии с водой океана или воздухом и звуковыми волнами. Такая концепция добавила в уравнение Ньютона еще один стандарт — абсолютного покоя. Скорость движения этих волн можно было измерить исключительно по отношению к чему-то, пребывающему в покое, — такой точкой отсчета и предполагался гипотетический «светоносный эфир». Однако этот эфир был странной субстанцией — заполняя собой всю Вселенную, он никоим образом не отражался на движении планет и других физических тел.
Десятки лет ученые во всем мире бились, пытаясь доказать существование эфира. Ставились всевозможные сложные эксперименты, но это была погоня за неуловимой целью, в результате порождавшая все больше вопросов и сомнений касательно ньютоновой Вселенной и тех абсолютов, от которых она зависела.
Эйнштейн с жадностью прочел все, что мог найти о трудах Максвелла и о поднятых им проблемах. По натуре он не был ниспровергателем — напротив, Эйнштейн убежденно верил в законы природы, в существование упорядоченной Вселенной, в которой все строго подчинено этим законам, так что возникшие сомнения волновали и тревожили его.
Однажды, погруженный в мысли такого рода, юный Эйнштейн — тогда еще ученик школы в Аарау — представил человека, путешествующего со скоростью света. Перед ним возникла четкая картина, а следом нахлынули вопросы, породившие то, что впоследствии он назвал мысленным экспериментом: если бы человек двигался со скоростью света вслед за световым лучом, то он смог бы «воспринимать такой луч света, как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле».
Интуитивно, однако, Эйнштейн понимал, что возникшая перед ним картинка не имеет смысла — по двум причинам. В момент, когда человек смотрит на источник света, желая увидеть луч, световой импульс будет удаляться от него со скоростью света. Иначе он не сможет его увидеть, так как видимый свет передвигается в пространстве с постоянной скоростью. Скорость светового импульса относительно наблюдателя все равно будет составлять те же 300 000 километров в секунду. Закон, управляющий скоростью света или любых электромагнитных волн, одинаков и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли, и для того, кто теоретически движется со скоростью света. Двух разных законов здесь быть не могло. И все же в теории можно было предположить, что, сумей кто-то развить нужную скорость, ему удастся увидеть саму волну еще до того, как она превратится в свет. Это был парадокс, и Эйнштейн не мог отделаться от мыслей о нем.
