“絕對的、真實的數學時間，就其自身及其本質而言，是永遠均勻流動的，它不依賴於任何外界事物。”
牛頓的這種觀點歪曲了時間與運動的關係，在他自己的理論係統內也是自相矛盾的。因為他已經承認運動不是絕對的。既然如此，你怎麼測量或覺察出絕對時間呢？
牛頓爭辯說他能夠做到這一點。他說他能借助於其他形式的運動來證明絕對時間的存在，這就是旋轉運動。他認為，旋轉運動是絕對的。牛頓當初舉了這樣一個例子：如果把一隻水桶吊在卷曲的繩索上，使它向繩索解開的方向旋轉，水麵會沿水桶邊緣上升，並形成凹形。旋轉越快，水麵上升越高。這就是有名的“水桶實驗”。牛頓說，水麵的這種升高就是一種絕對運動，它在原理上就證明了絕對時間的存在，並為測量絕對時間提供了方法。
牛頓的辯解顯然是站不住腳的。因為水桶是在空間中旋轉的，它必然是相對於宇宙中某個其他物體而言的，因而也就不是絕對的。但是牛頓又說，“如果在真空中旋轉；它仍將給出同樣結果。”然而牛頓在生前沒有、後來的物理學家也沒有拿出任何實驗證據，證明水桶在宇宙中的旋轉是絕對的。事實上，這種證據是永遠也找不到的！
盡管如此，牛頓仍然堅持自己的觀點。他認為，從原則上講，應該有一種理想的時間尺度--絕對時間，它能夠獨立存在而與任何特定事件和過程無關。
牛頓的這種觀點遭到了與他同時代的數學家萊布尼茲的反對。萊布尼茲認為，同時間相比，事件要更為基本，那種認為沒有事件時間也會存在的觀點是荒謬的。在他看來，時間是從事件引出來的，所有同時性事件構成了宇宙的一個階段，而這些階段就像昨天、今天和明天一樣一個緊接著一個。萊布尼茲的這種相對時間的理論，在今天看來似乎比牛頓理論更能為人接受，因為它更符合現代物理學的發展。
但是，牛頓的觀點在18世紀和19世紀仍然居於統治地位。因為它得到教會的支持。牛頓本人在給教會的一封信中就這樣說過：“用這些原理也許能使深思熟慮的人們相信上帝的存在。”因此，牛頓的絕對時間理論在當時被謳歌成整個宇宙的絕對真理。直至本世紀初，人們還普遍認為存在著一個獨一無二的、普遍適用的、不依賴於任何其他事物的時間體係。正因為這樣，當愛因斯坦在1905年發現了時間理論中一個從未有人懷疑過的漏洞，從而推翻了這些假說以及基於這些假說的整個時間哲學時，物理學經受了一場地震。
這個漏洞就是狹義相對論揭示的時間的相對性理論。
時間的相對性
還在學生時代，愛因斯坦就在思考這樣一個令人困惑的問題：假如他以光的速度穿過以太旅行，他將看到一些什麼呢？按照運動的相對性原理，這時光束應該相當於靜止空間中振蕩的電磁場，但這種觀點同麥克斯韋理論不符。於是愛因斯坦開始猜想，力學定律以及包括光的傳播在內的其他物理學定律，對於以不同速度運動的觀測者必然具有相同的形式。他認為，相對性原理不僅能應用於力學現象，而且同樣也能應用於光學和電磁學現象。光速不但對於相對靜止的觀測者是相同的，對於那些處於相對勻速運動中的觀測者也是相同的。邁克耳遜-莫雷實驗的零結果是“正確的”，因為：第一，不存在以太；第二，光速不變。
愛因斯坦接著便以這兩條結論為前提，推廣了伽利略的相對性原理，建立了自己的、更加普遍的新理論--狹義相對論。所謂“狹義”，指它僅限於勻速運動的場合。
狹義相對論指出，不管是力學現象，還是光學和電磁學現象，它們所遵循的規律都與慣性係的運動狀態無關。
這樣，愛因斯坦就完滿地解決了麥克斯韋的電磁波理論和建立在牛頓力學定律基礎上的物理學其他部分之間的矛盾，從而開創了物理學的一個新時代。
狹義相對論發表於1905年，論文的題目叫“論動體的電動力學”。從這篇文章我們看到，愛因斯坦是通過分析時間概念來解決問題的，也是在“同時性的相對性”這個問題上取得突破的。他醒悟到時間的可疑，認為時間不能絕對定義，並且指出，對於肘間的測量決定於人們對“同時性”的認識。也就是說，對時間間隔的測量必然涉及對同時性的判斷，即一個事件和另一個事件在時間上的吻合。他在“論動體的電動力學”一文中對這一點有一段精彩的表述：
“如果我們要描述一個質點的運動，我們就以時間的函數來給出它的坐標值。現在我們必須記住，這樣的數學描述，隻有在我們十分清楚地懂得‘時間’在這裏指的是什麼之後才有物理意義。我們應當考慮到：凡是時間在裏麵起作用的我們的一切判斷，總是關於同時的事件的判斷。比如我說，‘那列火車7點鍾到達這裏’，這大概是說：‘我的表的短針指到7同火車的到達是同時的事件。’”
可能有人認為，用“我的表的短針的位置”來代替“時間”，也許就有可能克服由於定義“時間”而帶來的一切困難。事實上，如果問題隻是在於為這隻表所在的地點來定義一種時間，那麼這樣一種定義就已經足夠了。但是，如果問題是要把發生在不同地點的一係列事件在時間上聯係起來，或者說--其結果依然一樣--要定出那些在遠離這隻表的地點所發生的事件的時間，那麼這樣的定義就不夠了。
愛因斯坦認識到，時間與信號速度之間有不可分的聯係，不同距離處的兩事件的同時性，與事件的相對位置以及觀測者借以感知它們的聯係方式有關。如果事件的距離和把它與觀測者聯係起來的信號的速度是已知的，觀測者便可計算出該事件發生的時間，並把它和自己先前經曆過的某一時刻對應起來。這種計算對於不同的觀測者是不同的。但是，在愛因斯坦提出這個問題以前，人們卻一直信守這樣一個原則：事件被感知的時間隻取決於它發生的時間，它對於所有的觀測者都是一樣的。愛因斯坦指出，上述原則基於這樣一個前提，即如果所有觀測者的計算都正確無誤，他們對於同一給定事件應該得到相同的時間。然而，愛因斯坦令人信服地證明，這一前提一般並不成立。他發現，處於勻速相對運動中的不同觀測者，對於同一事件一般總會測出不同的時間。如果兩隻時鍾相互之間處於勻速相對運動之中，則它們將保持不同的時間，你無法說哪個鍾是“準”的。運動的時鍾總比相對靜止的時鍾要變慢。對於我們日常遇到的運動速度，這一效應可以忽略，但當時鍾運動的速度愈接近光速，時鍾變慢的效應就愈益顯著。
為了進一步說明這個問題，讓我們來做一個“思想實驗”。這是不必在實驗室進行，而隻是通過頭腦去想象的“實驗”，它也是科學實驗的一種形式，並且頗得物理學家們的寵愛。事實上，就連中學生在做物理課習題時也常常用到它。
這個實驗是這樣的：
假定在首都機場的衛星樓裏有兩隻質量相同的時鍾A和B，經過校準同步後，讓A鍾留在衛星樓裏，而把B鍾裝上飛機。當飛機由北京飛經上海再返回首都機場時，把鍾B和鍾A相比較，這時它們的指針所指示的時間會相同嗎？
有些讀者可能會脫口而出：相同。但事實並非如此。如果這兩個時鍾足夠精密的話，我們將會發現鍾B要比鍾A慢一些。
這就是愛因斯坦相對論所預言的“時鍾矛盾”。這裏所說的矛盾，不是邏輯意義上的矛盾，而是指與常識相反的考慮方法，即所謂“佯謬”。
按照狹義相對論，兩隻同步了的時鍾，其中一隻以速度V沿十條閉合曲線運動，經曆一秒後回到原處，那麼它比那隻始終未動的鍾要慢12（V/c）2，此處c為光速。由此可以推出：對於同一經曆過程，飛機上鍾B測定的時間間隔為τ，衛星樓裏不動的鍾4測得的為t，於是
因為任何物體（這裏是飛機）的運動速度不會超過光速，√1-（V/c）2的值始終小於1，所以相對於A鍾來說，鍾B變慢了。鍾A走過1秒時，鍾B隻經過1-（v/C）2秒。
通常情況下，V/c值遠遠小於1，1-（v/C）2近似等於1，時鍾變慢的程度微乎其微。但是，如果我們能夠發射一個宇宙飛船，使它相對於地球以光速的098倍的速度飛行，在地麵上的人看來，飛船內時鍾走速將隻有地麵上時鍾走速的1/5。在這種情況下，假如我們讓25歲和28歲的親兄弟中的哥哥乘飛船作5年飛行，那麼當他回到地麵上時，弟弟將會發現他比哥哥大了1歲。因為這5年是指地麵上的5年，弟弟的年齡已經30歲了。可是在這段時間裏，飛船內的時鍾隻走過1年，哥哥隻長了1歲，隻有29歲。有些物理書上又把這種現象稱為“雙生兒佯謬”。
相對論預言的這種奇妙現象，長期以來一直是物理學家熱烈討論的話題。可是，一直到原子鍾問世之後，才有可能對它作出肯定性的實驗驗證。
1971年，美國海軍天文台把4台銫原子鍾裝上飛機從華盛頓出發，分別向東和向西作環球飛行。結果發現，向東飛行的銫鍾與停放在該天文台的銫鍾之間讀數相差刃毫微秒；向西飛行時，這一差值為273微秒。雖然在這次試驗中沒有扣除地球引力所造成的影響，但測量結果表明，“雙生兒佯謬”是確實存在的。
赤道上的時鍾走得慢
愛因斯坦是一位偉大的物理學家，他的許多預言陸續得到了實驗證實。但是，是不是他的每一個預言都正確呢？回答是否定的。
愛因斯坦在他的相對論第一篇論文《論動體的電動力學》中推斷：在赤道上的時鍾與放在地球兩極的質量完全相同的時鍾相比，在別的條件都相同的情況下，要走得慢一些。換句話說，在地球表麵不同緯度處時鍾走速是不同的。在赤道上，地球自轉速度v=046米/秒，V2/c2≈18×10-12；而在兩極，v=0。在一天當中，赤道鍾將比兩極鍾大約慢102毫微秒。
顯然，愛因斯坦在這裏隻考慮到時間的速度方麵，而沒有把引力效應同時考慮進去。我們知道，雖然在不同緯度處地球表麵的線速度不相同，愈遠離赤道時線速度愈小，兩極處為零，但地球是橢球體，兩極比赤道更接近地心，因而兩極處的引力勢比赤道處的大。這兩種因素對於鍾速的影響相互抵消，綜合效果恰好為零。
為了驗證這一結論，艾利等人又在1977年6月利用C-144型遠程運輸機，在華盛頓（緯度為北緯38049′）與格陵蘭的一個空軍基地（緯度為北緯76032′）之間進行了飛行鍾試驗。測得飛行鍾與地麵鍾相差38毫微秒，這與理論計算值（35毫微秒）相符合，從而證明鍾速與緯度無關。這說明愛因斯坦當時的推斷是錯誤的，赤道上的時鍾不會比兩極處的時鍾走得慢。
有人還曾提出，在一年中的某一時刻，例如夏至，由於地球自轉軸的傾斜，北極比南極更靠近太陽。這樣，在太陽引力勢內應用相對論原理，北半球的時鍾是否會比南半球的快一些呢？