當時認為光的傳播介質是“以太”。由此產生了一個新的問題：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討“以太風”存在與否。邁克耳孫－莫雷實驗就是在這個基礎上進行的。
當“以太風”的速度為0時，兩束光應同時到達，因而相位相同；如“以太風”速度不為零，即裝置相對以太運動，則兩列光波相位不同。
一種用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光在同一方向上光速差值的實驗。但結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此確定光速不變原理。根據伽利略變換，光速應該與其所在的參照系有關，這一結果表明伽利略變換并不適用于高速運動的光子，洛倫茲由此提出洛倫茲變換來解決這一問題。
雖然愛因斯坦只是將洛倫茲變換引入狹義相對論，但是他系統性地提出了一個全新的物理理論，并劃時代地提出時間相對性的概念，因此人們最終將這一功績歸功于愛因斯坦。但是狹義相對論并不完整，直到廣義相對論的出現才完美地解釋了孿生子佯謬。
既然存在以太，則當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大于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·麥克爾遜（后來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者）和愛德華·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。目的是測量地球在以太中的速度(即以太風的速度)。
如果以太存在，且光速在以太中的傳播服從伽利略速度疊加原理：
假設以太相對于太陽靜止，實驗坐標系相對于以太以公轉軌道速度u沿光線2的方向傳播， 由于光在不同的方向相對地球的速度不同，達到眼睛的光程差不同，產生干涉條紋。
從鏡子M反射，光線1的傳播方向在MA方向上，光的絕對傳播速度為c，地球相對以太的速度為υ，光線1完成來回路程的時間為2d/C，光線2在到達M2和從M2返回的傳播速度為不同的，分別為C+υ和C－υ，完成往返路程所需時間為：d/(C+u)+d/(C-u).光線2和光線1到達眼睛的光程差為：c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)
干涉儀整體可以旋轉，旋轉的過程中，以太速度方向與實驗參考系中光線2的夾角改變，從而使得速度分量u改變，旋轉90°時，光線1和2交換了狀態，光程差可以增加一倍。：ΔL=4du^2/(C^2-u^2)≈4du^2/C^2。移動的條紋數為ΔL/λ。
實驗中用鈉光源，λ=5.9×10^－7m；
地球的公轉軌道運動速率為：υ≈10^－4C；干涉儀靜止參考系下的光程2d=11m，
應該移動的條紋為：ΔN=2×11×(10^－4)/λ=0.37
干涉儀的靈敏度，可觀察到的條紋數為0.01條。但實驗結果是幾乎沒有條紋移動。
因此以太存在且光速滿足伽利略速度疊加的前提是錯誤的。結論是要么是以太不存在，光速相對于任何參考系的速度都一樣，因此旋轉邁克爾遜干涉儀時光線1和2不存在時間差。要么是以太存在但是光速不滿足伽利略速度疊加。
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·洛倫茲，他是依據以太存在，但是伽利略速度疊加原理需要修改，從而引進了洛倫茲變變換。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·愛因斯坦，在1905年發表的一篇著名的論文中指出，只要人們愿意拋棄絕對時間的觀念的話，整個以太的觀念就是多余的。
幾個星期之后，一位法國最重要的數學家亨利·彭加勒也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比彭加勒的論證更接近物理，因為后者將此考慮為數學問題。
通常這個新理論是歸功于愛因斯坦，但彭加勒的確在其中起了重要的作用。
