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第一节 牛顿力学的局限性
爱因斯坦在 16 岁时就问过这样简单而又深刻的问题，如果以光速追赶一束光，将会看到什么？我们会看到静止的光吗？日常经验告诉我们，如果驾车追赶一列火车的话，汽车速度越接近火车的速度，我们就会觉得火车越慢。如果汽车速度与火车速度相同，就会觉得火车似乎是静止的（不考虑周围环境因素）。爱因斯坦经过深入思考后认为，如果以光速追赶一束光，应当看到一束在空间中停滞不前、静止的光，但这样又违反了麦克斯韦电磁理论，不可能出现这种情况。
由于日常生活涉及的速度都远低于光速，爱因斯坦的“追光实验”实际上是一个思想实验。通过分析发现，因为不存在静态的电磁波，无论以多大的速度追光，都不可能追上光，即不存在静止的光。
示例 现代大型高能粒子加速器可以把粒子的速度加速到与光速极为接近的程度。质子质量 mp = 1.67×10−27 kg，如果把一个质子加速到具有能量 1.60×10−10 J，并假定这个能量就是质子具有的动能，按照经典力学，质子的速度为多大？
能和光速比拟的只有高能加速器中的高能粒子，通过示例可见，按照牛顿力学，这些高能粒子的速度将会超过光速，但这是违反实验事实的，超光速粒子从未被发现过。因此，牛顿力学在高速情况下不再适用。
解： \({E_{\rm{k}}} = \frac{1}{2}{m_{\rm{p}}}{v^2}\)
\(v = \sqrt {\frac{{2{E_{\rm{k}}}}}{{{m_{\rm{p}}}}}} = \sqrt {\frac{{2 \times 1.60 \times {{10}^{ - 10}}}}{{1.67 \times {{10}^{ - 27}}}}} \;{\rm{m/s}} \approx 4.38 \times {10^8}\;{\rm{m/s}} \approx 1.46c > c\)
由此可见，按照牛顿力学，高能质子的速度将超过光速，这个结论是错误的，到目前为止，实验上从未发现过超光速的粒子。事实上，任何粒子的速度都不可能超过光速。可见，牛顿力学在高速运动情况下不再适用。
在高能物理中，我们通常使用电子伏（eV）来衡量高能粒子的能量．它和国际单位制中能量单位 J 的换算关系为 1 eV = 1.60×10−19 J。常用的单位还有兆电子伏（MeV）、吉电子伏（GeV）和太电子伏（TeV），1 MeV = 106 eV，1 GeV = 103 MeV，1 TeV = 103 GeV。目前世界上最大的加速器——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）可以将单个质子加速到 0.999 999 99 c，使之具有 7 TeV 的能量。
在高能物理中，我们通常使用 eV、MeV、GeV 等作为能量单位。由于在高能物理中常常采用所谓的自然单位制，即令 c = ℏ = 1，这样，质量、动量、能量都具有相同的单位。比如，我们可以说电子的质量为 0.51 MeV，实际上是说电子的质量为 0.51 MeV/c2，这不仅给计算带来很大的方便，也反映了质量与能量之间的内在统一。
牛顿力学除了无法应用于高速运动的情况外，在解释其他现象时也遇到了困难。按照牛顿力学，波的传播需要介质，如声波和水波的传播。但我们知道，光可以在真空中传播。为了将光纳入牛顿力学的范畴，物理学家惠更斯（C．Huygens，1629—1695）借用了古希腊学者亚里士多德提出的观点，假设了光传播所需的特殊介质——以太的存在。为了测量地球相对以太的运动，1887年，物理学家迈克耳孙（A．A．Michelson，1852—1931）和莫雷（E．W．Morley，1838—1923）做了一系列精密测量的实验。结果却表明，不存在相对以太的运动，不同方向的光速没有差异，即真空中的光速在任何参考系下都具有相同的数值，与参考系的相对速度无关，以太其实并不存在。或者说，以太的引入是多余的，光可以在真空中传播。
麦克斯韦建立的电磁理论将电、光、磁统一在一个理论中，并证明光也是电磁波。所以电磁波的传播速度就是光速 c，并且 c = \(\frac{1}{{\sqrt {{\varepsilon _0}{\mu _0}} }}\)，其中，ε0、μ0 分别是真空介电常数和真空磁导率，这是两个物理常量。由于机械波的传播霈要介质，在传统观念的束缚下，为了解释光在真空中的传播，假设了一种特殊的介质即以太的存在。而为了解释观察到的物理现象，就需要赋予以太各种奇怪的性质。比如，以太充满宇宙，没有质量，绝对静止。一方面物体可以毫无阻碍地穿过以太，另一方面又要求以太有一定的刚性以支撑横波的传播。迈克耳孙和莫雷做了一系列精密的光干涉测量实验，试图找到地球相对以太的运动，结果都是否定的。爱因斯坦经过思考后发现，如果光速不随参考系改变，迈克耳孙和莫雷的实验结果就是必然的，而以太的引入则是多余的，光可以在真空中传播。
讨论牛顿力学的局限性，不可避免地要涉及微观粒子的运动。这里只是简单提及牛顿力学不能用于讨论微观粒子的运动，选择性必修第三册会较详细地讨论微观粒子和量子力学。