如果你處在“靜止”參照系，一個(gè)被置于運(yùn)動(dòng)著的參照系有刻度的棍子（如標(biāo)尺等）在你看來似乎也會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度收縮。你會(huì)覺得這個(gè)棍子的長(zhǎng)度比坐在運(yùn)動(dòng)的參照系中的你的朋友量的要短一些。奇怪的事是，你的朋友完全不認(rèn)為他在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，反而認(rèn)為相對(duì)于他來說你正在運(yùn)動(dòng)著而他自己是靜止的。在他看來，在你的參照系中的棍子比在他那兒的要短。對(duì)于你們倆來說，兩個(gè)人都是對(duì)的。你和你的朋友都沒有一個(gè)特殊的參照系，或換句話說，都沒有更優(yōu)先的看世界的視角：每一個(gè)事物都是相對(duì)的。

同樣的道理，在運(yùn)動(dòng)參照系中的時(shí)鐘比靜止參照系中走得慢，這就是所謂的時(shí)間膨脹。具體而言，位于你朋友所在的運(yùn)動(dòng)著的參照系中的鐘表走得比靜止?fàn)顟B(tài)的你的鐘表要慢；但相對(duì)地，在運(yùn)動(dòng)參照系中的朋友也會(huì)發(fā)現(xiàn)，他是靜止的而你是運(yùn)動(dòng)的，你的鐘表比他的鐘表走的要慢。類似地，在物理學(xué)里，這就是時(shí)間膨脹現(xiàn)象所面臨的著名的“孿生兒佯謬”：把一對(duì)剛出生的一男一女孿生嬰兒分開，若其中那個(gè)女嬰被人以速度Ｖ從男嬰身邊帶走，然后以同樣速度帶回來讓他們倆重新在一起。那么運(yùn)動(dòng)的女嬰比待在家里的男嬰年幼一些嗎？為了證明這個(gè)預(yù)言的真?zhèn)?，科學(xué)家用計(jì)時(shí)非常精確的原子鐘做時(shí)間膨脹的實(shí)驗(yàn)。他們把一個(gè)原子鐘放在實(shí)驗(yàn)室里，另一個(gè)放在一架高速飛馳在跑道上的飛機(jī)上，然后再把這兩個(gè)原子鐘的計(jì)時(shí)進(jìn)行比較，令人驚訝的是，放在飛機(jī)上的原子鐘確實(shí)比放在實(shí)驗(yàn)室的走時(shí)慢一些！這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果使得這個(gè)理論有點(diǎn)自相矛盾，因?yàn)楦鶕?jù)狹義相對(duì)論，兩個(gè)小孩的年齡應(yīng)該是沒有區(qū)別的。相對(duì)于其中留在產(chǎn)床上的男嬰，他的孿生姐妹以速度Ｖ離去又回來，同樣，另外在那個(gè)女嬰來說，男嬰也是以同樣的速度離開然后又回來。在這種情況下，兩個(gè)小孩時(shí)鐘的讀數(shù)應(yīng)該是完全一樣的；在原子鐘的實(shí)驗(yàn)中，被置于實(shí)驗(yàn)室的原子鐘和飛機(jī)上的原子鐘也應(yīng)該走時(shí)完全一樣才對(duì)，但實(shí)際結(jié)果顯示并非如此，那么狹義相對(duì)論確實(shí)存在自相矛盾嗎？回答是否定的，因?yàn)楸仨氉⒁猹M義相對(duì)論成立的一個(gè)前提條件，即它所描述的是恒定的速度下發(fā)生的情況。而不論是把小孩從孿生男孩身邊抱走還是飛機(jī)攜帶另一個(gè)原子鐘運(yùn)動(dòng)都不是恒定速度的運(yùn)動(dòng)，其過程必然有加速和減速運(yùn)動(dòng)存在。因此，這兩種情況并不包含在狹義相對(duì)論里，佯謬的質(zhì)疑并不成立。

長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹現(xiàn)象均已被當(dāng)代科技水平下高精度的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。實(shí)驗(yàn)室里放射性粒子經(jīng)過一段時(shí)間將衰變湮滅，其“半衰期”和作為“母體”放射性粒子是可以被測(cè)定的，而“子粒子”（即原始粒子衰變的產(chǎn)物）數(shù)量也是可以計(jì)數(shù)的。如果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室，粒子隨著光束一起運(yùn)動(dòng)，時(shí)間膨脹也將發(fā)生在追隨光速的粒子上。這就意味著該粒子能夠走得更遠(yuǎn)，比處于靜止參照系中的我們活得還長(zhǎng)。這便是證明奇異的時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮的實(shí)驗(yàn)所展示給我們的圖景。

愛因斯坦聲稱如果一束光線在一個(gè)以速度Ｖ后退的參照系中射出會(huì)顯得比在靜止參照系中光源射出的光線更紅一點(diǎn)，這便是相對(duì)論中以19世紀(jì)荷蘭物理學(xué)家克里斯汀·多普勒命名的“多普勒位移”，他首先發(fā)現(xiàn)并揭示從運(yùn)動(dòng)的物體上發(fā)出的聲音如何改變頻率。關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象的典型例子是當(dāng)一輛鳴笛的警車快速超過你時(shí)，你會(huì)感覺警笛的音調(diào)會(huì)突然減弱。愛因斯坦預(yù)測(cè)，當(dāng)光線從一個(gè)接近光速的物體上射出時(shí)也會(huì)發(fā)生類似的頻率位移現(xiàn)象。

愛因斯坦發(fā)表第一篇關(guān)于相對(duì)論的論文三個(gè)月后，即當(dāng)年九月，他又發(fā)表了一篇關(guān)于同一主題的后續(xù)論文《物體的慣性是否取決于其所擁有的能量》，在文章中研究運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能。如果運(yùn)動(dòng)參照系的速度Ｖ值較小，愛因斯坦的公式與牛頓的動(dòng)能理論相符合，但有一點(diǎn)截然不同，即如果Ｖ值為零，質(zhì)量為ｍ的物體其動(dòng)能E并非為零，這時(shí)的能量是物體的靜止質(zhì)量能。雖然他的那個(gè)著名的E＝mc2質(zhì)能方程1907年才最終見諸紙面，但愛因斯坦在此篇文章中所提出的“靜止物質(zhì)能”的成就能讓他同樣聞名于世。1905年，他所發(fā)表的論文強(qiáng)烈地暗示，光是以粒子形式傳播，而傳播光的粒子即光子，具有有限的能量。1907年時(shí)，他提出了一個(gè)公式與1905年的文章呼應(yīng)，闡釋光子具有有限的動(dòng)能。在1905年第二篇關(guān)于相對(duì)論的論文中，愛因斯坦表明靜止物質(zhì)能意味著能量和質(zhì)量在靜止時(shí)相等，這種等值可以解釋放射性輻射現(xiàn)象。根據(jù)他的說法，人們可以“用一個(gè)能量可能變化很大的的物體（如鐳等物質(zhì)）來檢測(cè)這個(gè)理論，如果理論與事實(shí)相符合則說明輻射通過放射性發(fā)射和吸收物質(zhì)來傳送慣性”。當(dāng)時(shí)，應(yīng)該說即使愛因斯坦自己也沒有意識(shí)到他的發(fā)現(xiàn)和異常簡(jiǎn)潔的E＝mc2等式會(huì)如此深遠(yuǎn)地改變他的生活，這些理論不經(jīng)意間導(dǎo)致了四十多年后原子彈的誕生。