Di permukaan, Patent Office tersebut merupakan tempat mustahil untuk melahirkan revolusi terbesar dalam fisika sejak Newton. Tapi itu menghasilkan keuntungan tersendiri. Setelah cepat-cepat menyelesaikan aplikasi paten yang menumpuk di atas mejanya, Einstein biasa duduk kembali dan mengingat mimpi yang dimilikinya saat kanak-kanak. Di masa mudanya, Einstein pernah membaca sebuah buku, People’s Book on Natural Science karya Aaron Bernstein, “sebuah karya yang saya baca dengan penuh perhatian,” kenangnya. Bernstein meminta pembaca untuk membayangkan berjalan di samping arus listrik ketika menuruni kawat telegraf. Saat berusia 16 tahun, Einstein menanyakan pertanyaan serupa pada dirinya sendiri: akan terlihat seperti apa sorot cahaya bila Anda dapat menyusulnya? Einstein mengenang, “Prinsip demikian dihasilkan dari sebuah paradoks yang telah saya temukan di usia 16: Jika saya mengejar sorot cahaya dengan kecepatan c (kecepatan cahaya di ruang vakum), semestinya saya melihat sorot cahaya tersebut seperti medan bolak-balik spasial elektromagnetik (spatially oscillatory
electromagnetic field) yang diam. Namun, rasanya tidak ada hal semacam
itu, baik pada basis pengalaman ataupun menurut persamaan Maxwell.” Sebagai seorang anak-anak, Einstein berpikir bahwa jika Anda dapat melaju di samping sorot cahaya, sorot cahaya itu semestinya terlihat membeku, seperti gelombang yang tak bergerak. Namun, tak ada seorang pun yang pernah melihat cahaya beku, jadi ada sesuatu yang sangat keliru.
Pada pergantian abad, terdapat dua pilar fisika yang menjadi tiang segala sesuatu: teori mekanika dan gravitasinya Newton, dan teori cahayanya Maxwell. Pada 1860-an, fisikawan Skotlandia, James Clerk Maxwell, memperlihatkan bahwa cahaya terdiri dari medan listrik dan magnet yang bervibrasi yang terus-menerus berubah menjadi satu sama lain. Yang Einstein temukan, yang sangat mengejutkan dirinya, adalah bahwa dua pilar ini saling berkontradiksi, dan bahwa salah satu darinya harus gugur.
Dalam persamaan Maxwell, dia menemukan solusi bagi teka-teki yang telah menghantuinya selama 10 tahun. Einstein menemukan sesuatu yang dilalaikan oleh Maxwell: persamaan Maxwell menunjukkan bahwa cahaya melaju pada kecepatan konstan, tak peduli seberapa cepat Anda mencoba
menyusulnya. Kecepatan cahaya c adalah sama di semua kerangka kelembaman (yakni kerangka yang melaju pada kecepatan konstan). Baik Anda sedang berdiri diam, naik kereta, atau duduk di atas komet yang mencepat, Anda akan melihat sorot cahaya melaju di depan Anda pada kecepatan yang sama. Tak peduli seberapa cepat Anda bergerak, Anda takkan pernah bisa mendahului cahaya.
Ini segera membawa pada semak paradoks. Bayangkan, untuk sejenak, seorang astronot mencoba untuk menyusul sorot cahaya yang mencepat. Sang astronot meluncur dengan kapal antariksanya sampai dia berlomba bahu-membahu dengan sorot cahaya. Penonton di Bumi yang menyaksikan pengejaran hipotetis ini akan mengklaim bahwa astronot dan sorot cahaya bergerak berdampingan. Namun, sang astronot akan mengatakan sesuatu yang sama sekali berbeda, bahwa sorot cahaya melaju menjauh darinya, seolah-olah kapal roketnya diam.
Pertanyaan yang dihadapi Einstein adalah: bagaimana bisa dua orang memiliki interpretasi yang demikian berbeda atas peristiwa yang sama? Menurut teori Newton, seseorang dapat senantiasa menyusul sorot cahaya; di dunia Einstein, ini mustahil. Tiba-tiba dia menyadari, ada sebuah cacat fundamental dalam fondasi dasar fisika. Di musim semi 1905, kenang Einstein, “sebuah badai berkecamuk dalam pikiran saya”. Dalam satu pukulan, dia akhirnya menemukan solusi: waktu berdenyut pada laju berbeda-beda,
tergantung pada seberapa cepat Anda bergerak. Semakin cepat Anda bergerak,
semakin lambat waktu berjalan. Waktu tidaklah absolut, sebagaimana anggapan Newton dahulu. Menurut Newton, waktu berdenyut secara seragam di seluruh alam semesta, sehingga perlaluan satu detik di Bumi adalah identik dengan satu detik di Yupiter atau Mars. Jam berdenyut dalam kesinkronan absolut di seluruh alam semesta. Namun, menurut Einstein, jam yang berbeda-beda berdenyut pada laju berbeda-beda di seluruh alam semesta.
Jika waktu bisa berubah tergantung pada kecepatan Anda, sadar Einstein, maka kuantitas lain, seperti panjang, materi, dan energi, semestinya juga berubah. Dia mendapati bahwa semakin cepat Anda bergerak, semakin besar jarak yang berkontraksi/menyusut (yang kadang-kadang disebut sebagai kontraksi Lorentz-FitzGerald). Demikian pula, semakin cepat Anda bergerak, semakin berat diri Anda. (Saat Anda menyentuh kecepatan cahaya, waktu akan melambat hingga berhenti, jarak akan berkontraksi hingga nihil, dan massa Anda akan menjadi tak terhingga, yang kesemuanya absurd. Inilah
mengapa Anda tidak bisa mematahkan rintangan cahaya, yang merupakan batas kecepatan tertinggi di alam semesta.)
Distorsi aneh ruang-waktu ini mendorong seorang penyair untuk menulis:
Ada seorang lelaki muda bernama Fisk yang gerak anggarnya sangat lincah Begitu cepat aksinya,
sampai kontraksi FitzGerald
memusnahkan pedangnya menjadi cakram
Seperti halnya terobosan Newton yang menyatukan fisika Bumi dengan fisika langit, Einstein menyatukan ruang dengan waktu. Akan tetapi dia juga memperlihatkan bahwa materi dan energi menyatu dan karenanya dapat berubah menjadi satu sama lain. Jika sebuah objek menjadi semakin berat, semakin cepatlah ia bergerak, artinya energi gerak sedang ditransformasikan menjadi materi. Einstein menghitung seberapa banyak energi yang akan berkonversi menjadi materi, dan dia mendapat rumus E = mc2, dengan kata lain, materi m sekecil apapun berlipat ganda sangat besar (kuadrat kecepatan cahaya) manakala berubah menjadi energi E. Dengan demikian, sumber energi rahasia bintang-bintang sendiri terkuak, yaitu konversi materi menjadi energi melalui persamaan ini, yang menerangi alam semesta. Rahasia bintang-bintang bisa diperoleh dari pernyataan sederhana bahwa kecepatan cahaya adalah sama di semua kerangka kelembaman.
Seperti halnya Newton sebelumnya, Einstein mengubah pandangan kita tentang panggung kehidupan. Di dunia Newton, semua aktor mengetahui persis jam berapa sekarang dan berapa jarak yang terukur. Denyutan waktu dan dimensi panggung tak pernah berubah. Tapi relativitas memberi kita cara yang ganjil dalam memahami ruang dan waktu. Di alam semesta Einstein, semua aktor memiliki jam tangan yang mencatat waktu berbeda-beda. Ini artinya mustahil mensinkronkan semua jam di panggung. Penyetelan waktu latihan untuk tengah hari mengandung hal beda bagi aktor berbeda-beda. Hal aneh terjadi saat aktor berpacu di panggung. Semakin cepat mereka bergerak, semakin lambat jam mereka berdenyut, dan semakin berat dan flat tubuh mereka.
Perlu bertahun-tahun sebelum pandangan Einstein diakui oleh komunitas ilmiah yang lebih besar. Tapi Einstein tidak berhenti; dia ingin mengaplikasikan teori relativitas barunya pada gravitasi itu sendiri. Dia menyadari betapa sulitnya ini nantinya; dia akan merusak teori paling sukses di masanya. Max Planck, pendiri teori quantum, memperingatkannya, “Sebagai teman lama, saya harus menasehatimu untuk tidak melakukannya, sebab kau tidak akan berhasil, dan sekalipun kau berhasil, tak ada yang akan mempercayaimu.”
Einstein menyadari bahwa teori relativitas barunya melanggar teori gravitasi Newton. Menurut Newton, gravitasi berjalan secara instan di sepanjang alam semesta. Tapi ini menimbulkan pertanyaan yang terkadang ditanyakan oleh anak-anak sekalipun: “Apa yang terjadi seandainya Matahari menghilang?” Bagi Newton, seluruh alam semesta akan menyaksikan menghilangnya Matahari secara instan, di waktu yang sama. Tapi menurut teori relativitas, ini mustahil, sebab menghilangnya sebuah bintang dibatasi oleh kecepatan cahaya. Menurut relativitas, kehilangan mendadak Matahari pasti menimbulkan gelombang kejut bundar gravitasi yang menyebar ke luar dengan kecepatan cahaya. Di luar gelombang kejut, para pelihat akan mengatakan bahwa Matahari masih bersinar, karena gravitasi tak sempat menjangkau mereka. Tapi di dalam gelombang tersebut, pelihat akan mengatakan bahwa Matahari telah menghilang. Untuk memecahkan masalah ini, Einstein memperkenalkan gambaran ruang dan waktu yang sama sekali berbeda.