当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。迈克耳孙－莫雷实验就是在这个基础上进行的。
当“以太风”的速度为0时，两束光应同时到达，因而相位相同；如“以太风”速度不为零，即装置相对以太运动，则两列光波相位不同。
一种用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光在同一方向上光速差值的实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定光速不变原理。根据伽利略变换，光速应该与其所在的参照系有关，这一结果表明伽利略变换并不适用于高速运动的光子，洛伦兹由此提出洛伦兹变换来解决这一问题。
虽然爱因斯坦只是将洛伦兹变换引入狭义相对论，但是他系统性地提出了一个全新的物理理论，并划时代地提出时间相对性的概念，因此人们最终将这一功绩归功于爱因斯坦。但是狭义相对论并不完整，直到广义相对论的出现才完美地解释了孪生子佯谬。
既然存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。
1887年，阿尔贝特•麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华•莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。
如果以太存在，且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理：
假设以太相对于太阳静止，实验坐标系相对于以太以公转轨道速度u沿光线2的方向传播， 由于光在不同的方向相对地球的速度不同，达到眼睛的光程差不同，产生干涉条纹。
从镜子M反射，光线1的传播方向在MA方向上，光的绝对传播速度为c，地球相对以太的速度为υ，光线1完成来回路程的时间为2d/C，光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的，分别为C+υ和C－υ，完成往返路程所需时间为：d/(C+u)+d/(C-u).光线2和光线1到达眼睛的光程差为：c[d/(C+u)+d/(C-u)-2d/C]=2du^2/(C^2-u^2)
干涉仪整体可以旋转，旋转的过程中，以太速度方向与实验参考系中光线2的夹角改变，从而使得速度分量u改变，旋转90°时，光线1和2交换了状态，光程差可以增加一倍。：ΔL=4du^2/(C^2-u^2)≈4du^2/C^2。移动的条纹数为ΔL/λ。
实验中用钠光源，λ=5.9×10^－7m；地球的公转轨道运动速率为：υ≈10^－4C；干涉仪静止参考系下的光程2d=11m，
应该移动的条纹为：ΔN=2×11×(10^－4)/λ=0.37
干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0.01条。但实验结果是几乎没有条纹移动。
因此以太存在且光速满足伽利略速度叠加的前提是错误的。结论是要么是以太不存在，光速相对于任何参考系的速度都一样，因此旋转迈克尔逊干涉仪时光线1和2不存在时间差。要么是以太存在但是光速不满足伽利略速度叠加。
在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克•洛伦兹，他是依据以太存在，但是伽利略速度叠加原理需要修改，从而引进了洛伦兹变变换。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特•爱因斯坦，在1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念就是多余的。
几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利•彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。
通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的确在其中起了重要的作用。
