爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论改变了我们对于空间与时间的认知。
爱因斯坦描绘了一幅宇宙的奇特新图景，在这里，观测者会发现运动着的钟会变慢，运动着的尺子会缩短，而运动着的物质质量会变大。上述所有奇特的现象都源自两个简单的概念：光速的不变性，不管谁去测量它，光速总是不变的；以及相对性原理，即对于匀速直线运动的观测者而言，所有的物理定律都保持不变。
为了理解其中的原因，一个经典的方法是想象一列火车（见图2.1）。鲍勃坐在火车里，在车厢正中间设置了一个光源，向前后两个方向发出两束光脉冲。从鲍勃的角度来看，两束光脉冲是同时抵达车厢两头的。然而，站在车站站台上的爱丽丝观察到的现象却不一样。对她而言，两束光脉冲的速度依然严格相同，正如鲍勃所测量到的一样，然而，在光脉冲运行的同时，列车也在向前行进，爱丽丝会看到向后运动的光脉冲先碰到车厢尾部，然后才是向前的光脉冲抵达车厢头部。由此可见，对于一个人来说同时发生的事情，对另一个人而言可能是先后发生的，同时性是相对的。
如果观测者无法就同时性达成一致，他们便无法对与时间有关的测量达成一致，这就产生了所谓的时间延迟问题。在火车上的鲍勃带了一个钟——一个完美的钟，其测量时间的原理是，在垂直于列车运行的方向上放置两面镜子，然后通过记录光在两面镜子之间传播所花的时长来测量时间。一个光脉冲从一面镜子出发到达对面的镜子再反弹回去，对应了这个钟发出的一次嘀嗒声。
鲍勃知道光速以及两面镜子之间的距离，所以他也能推算出钟每次发出嘀嗒声所对应的时间。
速度不变
然而，对于站在站台上的爱丽丝而言，钟和镜子都在向前走，所以光脉冲是沿着一个三角形的两条边行进的。这样的路径比静止时两面镜子间的直线距离要长。由于光速不变，从爱丽丝的角度看，与站台上一模一样的钟相比，运动中的钟发出一次嘀嗒声所花的时间较长。
需要强调的是，这个情形是对称的。根据相对性原理，鲍勃可以认为火车是静止的，而站台在飞驰，从而得出结论：爱丽丝的钟走得慢了。一旦我们牢记同时性是相对论，就不存在什么悖论了。在还没确定“同时”是什么意思的时候，讨论“同时”比较不同钟的时间读数是没有意义的，而两位观测者对于“同时”的概念是有差别的。
由于运动着的火车里的光脉冲是沿着两个直角三角形的斜边传播的，我们可以简单地计算出时间膨胀的具体数值。如果v是钟的运动速度，而c是光速，那么时间就会被拉长到原来的倍。这个量我们称为洛伦兹因子，它出现在许多相对论的计算公式中。
时间膨胀
时间膨胀效应在上述这种特殊的钟里可以特别清楚地被解释，而且这个效应是真实存在的，所以不管什么钟、什么过程，只要存在运动就会有这种效应。
花开两朵，各表一枝，咱们再来看看空间。假设在火车里的桌子上有一根长棍子。爱丽丝可以通过数一下棍子通过站台上固定某点所花的时间测量棍子的长度。但是对鲍勃而言，他的钟走得要慢些，所以与他的测量结果相比，爱丽丝对长度的测量值就会偏小，这个偏小的比例系数同样是（洛伦兹因子）。
这种所谓的洛伦兹–菲茨杰拉德收缩同样适用于火车和火车里的鲍勃。所有的事物都会由于运动而在其运动方向上发生收缩。当然，对于比光速慢得多的运动而言，这个效应很小：超声速喷气式飞机哪怕以2马赫（2450千米/小时）——也就是两倍于声速——的速度飞行，它所能被感受到的收缩也不过是一万亿分之二。一个物体相对于观测者的运动速度越快，它的外形被压得越扁，而钟就走得越慢。在达到光速时，物体沿运动方向的长度变成了零，而它的时间则完全静止了。
“奇迹年”
1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”（annus mirabilis）。这一年，这位精干的26岁小伙子发表了4篇改变世界的论文。在6月9日，他发表了光电效应方面的论文，通过证明能量是如何以一份份独立的形式传播的，他在量子物理领域实现了一次重大突破。让他获得诺贝尔奖的正是这次突破，而不是相对论。一个月以后，他发表了另一篇文章，讲的是关于布朗运动的理论，他认为布朗运动是液体和气体中粒子的随机运动。在9月26日，他的狭义相对论发表，而11月21日他提出了那个最著名的公式E=mc2。
由于长度和时间都与参考系有关，因此速度的正确叠加方式可能和你预期的不太一致。比如说，鲍勃所乘坐的火车以速度v1前进，然后他向前射出了一颗速度为v2的子弹，当然这个速度是在火车上测量出来的。爱丽丝在站台上看到的子弹速度可不是v1+v2，而是比这个速度稍微慢些。她看到的速度实际上是（v1+v2）/[1+（v1v2）/c2]。
这就意味着，子弹——或者其他物体——对于任何惯性观测者而言（所谓惯性观测者指的是任何以常速运动的人），速度都不可能比光速c更快。举例来说，如果火车的速度是0.75c，而子弹相对于火车的速度是0.75c，爱丽丝看到的子弹的速度就是0.96c，而不是1.5c。
那么子弹的能量怎么算？不管对爱丽丝还是对鲍勃来说，能量都应该是守恒的。枪支给了子弹额外的能量，但是从爱丽丝的角度来看增加的速度不足以平衡能量的增加。动能的表达式是E=（1/2） mv2（m表示质量），因此如果速度没有增加到足够大的值，质量就必须增加。换句话说，运动物体的质量比它们在静止状态下时更大。根据爱因斯坦的推导，运动物体的质量等于其静止质量乘以我们所熟悉的洛伦兹因子。
著名的公式
根据相对论可以计算出来，质量的增加量等于能量的增加量除以c2，而爱因斯坦据此推断出物体的静止质量等于能量（E）除以c2，换句话说E=mc2。
这一能量和质量间的关系式对于所有形式的能量都成立。这也为放射性之谜带来了最终的解答。法国物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie,1859—1906）在1903年发现，1克镭可以在每小时内释放出超过400焦耳的能量。这个能量的起源究竟在哪里？爱因斯坦解释说，当一个放射性原子解体时，根据公式E=mc2，它的一部分质量转化成了能量。如果把所有的质量都转化为能量，1克镭就足够让一个1000瓦的电热器烧上2850年。
狭义相对论所有的奇怪预言都被实验一一验证了。英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac,1902—1984）在1928年拓展了描述电子如何运动的相对论性理论。他的相对论版的量子力学为理解原子中的电子行为以及它们如何占据原子核外的稳定“壳层”提供了解释，而这些问题都是化学的基础。所以在你体内进行的每一个化学反应都在见证着这个时间、空间、能量、质量相连的世界。
与数学结合
在爱因斯坦的理论中，空间和时间同时失去了绝对性。但是德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基证明了时间和空间结合在一起，可以构成某种更为本质的对象。
如图2.2所示，我们想象一下，根据观测角度的不同，一个物体（如扫帚把）的长度如何发生相应变化。从侧面看，你能看到它的全长；从顶部看，看起来扫帚把没有任何长度；从中间的某个角度看，扫帚把的长度会缩短。闵可夫斯基指出，所有狭义相对论的奇怪结果都可以理解为是由一个物体在四维的时空中放置的方向不同导致的。
为一个如扫帚把一样的物体赋予一个四维的“长度”（量度），意味着得把我们观测扫帚把两端的时刻也考虑进去。如果在不同的时刻进行观测，扫帚把就会占据具有一定量的时间和空间。
由于光是以大约30万千米/秒的速度运动的，每秒的时间就对应于30万千米的空间。当然，在我们的经验里时间和空间明显是两回事，这一点在数学里也有体现。在普通的三维空间里，扫帚把的长度（s）可以根据其在3个维度x、y、z的长度计算出来：
但是从闵可夫斯基的四维时空来看，时间并不是加到这个公式里的——它是从这个公式里面减去的。所以四维量度的准确写法是
这个时空间隔s对于任何惯性系中的观测者而言都是不变的。不同的观测者看同一个物体时，尽管他们测量到的量度不一样，测量到的绑在物体上的时钟的运行速度也不一致，但是通过正确地结合时间和空间性质，他们会对其在时空中的量度给出一致的测量结果。
爱因斯坦一开始不太情愿认真地对待这个观点，但是他之后意识到闵可夫斯基的观点提供了一把通向广义相对论的钥匙，使得这个理论可以将引力也考虑进来（见下面的“关于引力的理论” ）。
