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相对论是20世纪最伟大的物理学理论之一，由爱因斯坦在1905年和1915年分别提出狭义相对论和广义相对论。这一理论彻底颠覆了牛顿经典物理学中绝对时间和绝对空间的概念，提出了时空的相对性和光速不变的革命性观点，为现代物理学奠定了基础。
狭义相对论建立在两个基本假设之上。第一个是相对性原理，即物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式。第二个是光速不变原理，真空中光速在所有惯性参考系中都等于常数c。这两个原理导出了洛伦兹变换，其中伽马因子描述了时空的变换关系，当速度接近光速时效应变得显著。
时间膨胀是狭义相对论的重要效应，公式为Δt等于γ乘以Δt₀，其中γ是洛伦兹因子。著名的双胞胎悖论说明了这一现象：当一个双胞胎以高速飞行时，他经历的时间会变慢，而留在地球上的双胞胎老得更快。例如，当速度为0.9倍光速时，γ因子约为2.29，意味着飞船上的1年相当于地球上的2.29年。
狭义相对论还预言了长度收缩效应，运动物体在运动方向上的长度会缩短，公式为L等于L₀除以γ。更著名的是质能关系E等于mc²，揭示了质量和能量的等价性。这个公式解释了核反应中少量质量转化为巨大能量的现象，是核能、太阳核聚变和粒子加速器等现代技术的理论基础。
广义相对论将引力重新诠释为时空的几何性质。等效原理指出引力和加速度无法区分，而大质量物体会弯曲周围的时空几何。在这个弯曲的时空中，物体沿着测地线运动，我们感受到的引力实际上是时空弯曲的表现。爱因斯坦场方程描述了物质能量如何决定时空的曲率，实现了几何与物理的统一。