Эйнштейн осознал это, когда размышлял о том, что на самом деле подразумевает сравнение скоростей. Он использовал — в действительности впервые — один из самых любимых у современных физиков стилей рассуждения, «операциональное» мышление, которое заключается в том, что вы спрашиваете, откуда вам известно то, что известно. Часто обнаруживается, что существующие убеждения необоснованны и даже неверны. Между прочим, этот стиль может пригодиться в любом споре. Чтобы поднять уровень политического спора, спросите, как происходит что-то. Например, если кто-то поддерживает или выступает против государственного финансирования системы здравоохранения, спросите, как вообще устроено медицинское страхование. Те, кто очень уверен в своем мнении, увидят собственное невежество или по крайней мере признают, что вопрос не так уж прост.
В случае относительных скоростей Эйнштейн заметил, что для измерения скорости мяча тому, кто его бросает, и пассажиру поезда необходим секундомер. И они не могут заведомо считать, что их часы идут одинаково. Это нужно установить, сравнивая показания часов, а для этого необходимо обменяться какими-то сигналами. Если сигнал передается между ними мгновенно, то они могут подтвердить, что час для одного человека — это то же самое, что час для другого. Но если передача сигнала занимает время, они не могут быть уверены в этом, поскольку их положение изменится, пока сигнал будет в пути, что создаст задержку. Также они не могут знать, что километр для одного из них равен километру для другого. Подразумевается, что измерение длины проводится в один и тот же момент, т.е. сигнал может мгновенно переместиться от одного конца объекта к другому. Если наблюдателям доступны только сигналы, передающиеся с ограниченной скоростью, измерение может быть ошибочным из-за того, что они или объект измерения движется.
Эйнштейн нашел альтернативу ньютоновскому правилу сложения скоростей, которая учитывает время передачи сигнала, тем не менее гарантируя, что с точки зрения того, кто бросает мяч, и с точки зрения пассажира поезда это выглядит совершенно эквивалентно. Согласно его правилу, относительная скорость меньше, чем простая сумма. Для пассажира мяч летит со скоростью чуть-чуть меньше, чем 160 км/ч. Чем быстрее летит мяч, тем больше его относительная скорость отличается от предсказаний законов Ньютона. Если же вместо того, чтобы бросать мяч, посветить фонариком, что так интересовало теоретиков XIX в., то световые волны будут перемещаться со скоростью 1080 млн км/ч относительно того, кто светит, и со скоростью 1080 млн км/ч относительно пассажира поезда. Собственное движение пассажира перестает иметь значение. Таким образом свет перемещается со скоростью, которая одинакова для всех наблюдателей даже при том, что их собственные скорости всегда относительны.
