La velocità relativa si riferisce alla velocità e alla direzione di un oggetto rispetto a qualche altro riferimento. Non esiste un riferimento standard per una velocità relativa; tuttavia, alcuni riferimenti, come il terreno, sono molto più convenienti di altri. Grazie a questo principio, è possibile descrivere lo stesso oggetto come avente più velocità diverse, ciascuna con un diverso sistema di riferimento. Tuttavia, la velocità della luce non è una velocità relativa in questo senso.
In genere, tutte le velocità devono essere relative a un sistema di riferimento inerziale. Qualsiasi sistema di riferimento nello spazio che non sta accelerando è ugualmente adatto. La superficie della Terra è una buona approssimazione per un sistema di riferimento inerziale quando le distanze coinvolte non sono troppo grandi. Questo perché piccole aree sembrano essere piatte e stazionarie; cioè, gli oggetti sembrano immobili quando si muovono alla stessa velocità del suolo. Quando le distanze diventano troppo grandi, non ha più senso fornire velocità rispetto al suolo: a causa della rotazione terrestre, diverse parti del globo si muovono in direzioni diverse.
Ad esempio, si intende che una velocità di 70 miglia (112.7 km) all’ora in autostrada è relativa al terreno “fermo”. Questo perché la superficie della Terra ruota attorno al suo nucleo e la Terra viaggia intorno al sole. Il sistema solare stesso ruota intorno al centro della galassia della Via Lattea, e così via. Pertanto, una velocità è utile solo quando è relativa a un sistema di riferimento. Un limite di velocità in autostrada è in realtà un limite di velocità relativa.
L’astronomo danese Ole Christensen Rømer misurò per la prima volta la velocità della luce nel 1676. Confrontò il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dalla luna di Giove Io quando la Terra si trovava a varie distanze da essa. Quando la Terra era più lontana da Giove, ci volle notevolmente più tempo prima che la luce arrivasse. All’insaputa di Rømer, tuttavia, la luce non si comporta allo stesso modo della materia ordinaria. La velocità della luce, e di tutte le radiazioni elettromagnetiche, è costante indipendentemente da chi la osserva.
Nel 1905, il fisico tedesco Albert Einstein propose la teoria secondo cui il movimento di un osservatore non influenza la velocità della luce. Questa svolta è servita come base per la teoria della relatività speciale. Le sue implicazioni, sebbene non comunemente evidenti durante la vita di tutti i giorni, sono di vasta portata nel campo della fisica. In sostanza, il principio significa che la velocità della luce non è una velocità relativa nel senso precedente. Piuttosto, il tempo stesso dipende dal movimento di un osservatore.