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在日常生活中，我们经常遇到相对运动的现象。比如在火车上的乘客看到车厢内的物体是静止的，但地面上的观察者却看到这些物体在高速运动。经典物理学认为时间和空间是绝对的，光速也可以像普通速度一样叠加。然而，19世纪末的实验发现光速在任何参考系中都是恒定的，这个发现彻底挑战了经典物理学的基础，促使爱因斯坦提出了革命性的相对论。
狭义相对论建立在两个基本原理之上。第一个是相对性原理，它指出物理定律在所有惯性参考系中都是相同的，没有绝对静止的参考系。第二个是光速不变原理，真空中的光速在所有惯性参考系中都等于每秒三亿米，这是一个普遍常数。这两个原理导出了许多反直觉的结论，比如时间膨胀效应。通过光钟实验可以看出，对于静止观察者，运动中的时钟会变慢，因为光需要走更长的对角线路径。
狭义相对论预言了两个重要的时空效应。首先是时间膨胀，运动物体的时间会变慢，公式中的伽马因子随速度增加而急剧增大。著名的双胞胎悖论说明，高速旅行的双胞胎回到地球时会比留在地球的兄弟更年轻。其次是长度收缩，运动物体在运动方向上的长度会缩短。当速度达到光速的百分之九十时，时间会变慢2.3倍，长度会缩短到原来的百分之四十三。这些效应在日常生活中微不足道，但在高速运动时变得显著。
爱因斯坦最著名的方程E等于mc平方揭示了质量和能量的等价性。这个方程表明，即使很小的质量也蕴含着巨大的能量。完整的能量动量关系式显示，总能量等于动量项加上静止质量项。在核反应中，少量的质量亏损会转化为巨大的能量释放。例如，铀核裂变时仅仅千分之七的质量亏损就能产生200兆电子伏特的能量。这个原理解释了太阳的能量来源，也是核电站和核武器的物理基础。
广义相对论将相对论扩展到包含引力的情况。其核心思想是引力不是一种力，而是大质量物体造成的时空弯曲。等效原理指出，在局部范围内，引力场和加速运动是无法区分的。爱因斯坦场方程描述了物质能量如何弯曲时空，而弯曲的时空又如何影响物质运动。这个理论预言了许多奇特现象，包括光线在引力场中的弯曲、时间在强引力场中的延缓、引力波的存在，以及黑洞这样的极端天体。