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但是經典物理學依然試圖解釋電磁場，這就是上面提到的波動說，波動說認為電磁波是在以太中傳播的，經典物理學認為場是藉助以太用力學的方法來實現的，但關於以太是個什麼東西成了個大問題。
麥克斯韋理論預言，無線電波或光波應以某一固定的速度運動。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光是以固定的速度傳播，人們必須說清這固定的速度是相對於何物來測量的。這樣人們提出，甚至在“真空”中也存在著一種無所不在的稱為“以太”的物體。正如聲波在空氣中一樣，光波應該透過這以太傳播，所以光速應是相對於以太而言。相對於以太運動的不同觀察者，應看到光以不同的速度衝他們而來，但是光對以太的速度是不變的。特別是當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球透過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。1887年，阿爾貝特&；#8226；麥克爾遜（後來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者）和愛德華&；#8226；莫雷在克里夫蘭的卡思應用科學學校進行了非常仔細的實驗。他們將在地球運動方向以及垂直於此方向的光速進行比較，使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！
在1887年到1905年之間，人們曾經好幾次企圖去解釋麥克爾遜——莫雷實驗。最著名者為荷蘭物理學家亨得利克&；#8226；羅洛茲，他是依據相對於以太運動的物體的收縮和鍾變慢的機制。然而，一位迄至當時還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特&；#8226；愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們願意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念則是多餘的。
這個被稱之為相對論的基本假設是，不管觀察者以任何速度作自由運動，相對於他們而言，科學定律都應該是一樣的。這對牛頓的運動定律當然是對的，但是現在這個觀念被擴充套件到包括馬克斯韋理論和光速：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E＝mc＾2來表達（這兒E是能量，m是質量，c是光速），以及沒有任何東西能運動得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動所具的能量應該加到它的質量上面去。換言之，要加速它將變得更為困難。這個效應只有當物體以接近於光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10％光速運動的物體的質量只比原先增加了％，而以90％光速運動的物體，其質量變得比正常質量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質量上升得越來越快，它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而由質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限制任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動。只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。這樣的話，場理論就可以被解釋了，它實際上就是能量場。
相對論的一個同等卓越的成果是，它變革了我們對空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈衝從一處發到另一處，（由於時間是絕對的）不同的觀測者對這個過程所花的時間不會有異議，但是他們不會在光走過的距離這一點上取得一致的意見（因為空間不是絕對的）。由於光速等於這距離除以所花的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方面，在相對論中，所有的觀察者必須在光是以多快的速度運動上取得一致意見。然而，他們在光走過多遠的距離上不能取得一致意見。所以現在他們對光要花多少時間上也不會取得一致意見。（無論如何，光所花的時間正是用光