在蘇黎世和布拉格，愛因斯坦致力於解決由他的相對論所提出的問題。根據牛頓的相對性原理，發生測量的實驗室本身的運動速度不能通過實驗室內物體的運動來確定。1905年，愛因斯坦將光學現象也包含在這個原理內，即無論是測量光線還是物體的運動，都不能確定發生測量的實驗室本身的運動速度。但是，隻有當實驗室做勻速直線運動時，這個原理才成立，這與愛因斯坦的理論也一致。根據愛因斯坦的理論，能夠在實驗室參考係L中測定是否L相對慣性係F做變速運動。因此，測量實驗室中的物體運動，能夠獲得實驗室運動的加速度，但卻不能得到實驗室的速度。愛因斯坦認為這種描述方式不能令人滿意。恩斯特·馬赫曾提出改善的建議，假設通過L上的觀測，人們能確定其相對於固定的星星的加速度，而不是相對某個虛擬慣性係的加速度。因此，L上發生的事件就能被真實的物理對象——固定的星星——所影響。但馬赫的建議僅具雛形，沒有發展為完善的理論，因此人們無法計算固定的星星對L上發生的可觀測事件會有什麽樣的可驗證的影響。愛因斯坦的目標是彌補這點不足。
他將以下問題作為自己的出發點：在牛頓物理中，怎樣通過實驗室L中的實驗結果，來判斷實驗室本身相對於慣性係的速度是否發生變化？我們已經知道當L也是慣性係時，牛頓慣性定律和第二定律都在L中成立。基於日常生活經驗，我們同樣容易知道，當L相對慣性係的速度發生變化時，這些定律將不再成立。
接下來，我們假設L是火車的一節車廂。若慣性定律在L中成立，這意味著在車廂中站立的人不使用任何力，就能在車廂的同一個位置一直穩穩地站著。而經驗告訴我們，上述情況隻有在火車沿直線勻速前進時才成立。當火車突然刹車時，人們如果不注意站穩扶好，就容易向前跌倒。當火車突然加速或急轉彎時，也是如此。總的來說，隻要車速發生變化，人們就需要借助外力才能站穩；而火車恢複勻速直線運動後，人們就能自己在同樣的位置穩穩站住。因此，可以通過人們狀態的變化，即是否需要做額外的努力讓自己維持站穩不動的狀態，來判斷車廂L是慣性係還是非慣性係。即使從這種最直接體驗中，我們也能夠發現，車刹得越急，越要花費更大的力氣讓自己站穩。用更一般的說法，即加速度越大，需要的力越大。