如果你處在“靜止”參照系，一個被置于運(yùn)動著的參照系有刻度的棍子（如標(biāo)尺等）在你看來似乎也會產(chǎn)生長度收縮。你會覺得這個棍子的長度比坐在運(yùn)動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)動當(dāng)中，反而認(rèn)為相對于他來說你正在運(yùn)動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。對于你們倆來說，兩個人都是對的。你和你的朋友都沒有一個特殊的參照系，或換句話說，都沒有更優(yōu)先的看世界的視角：每一個事物都是相對的。

同樣的道理，在運(yùn)動參照系中的時鐘比靜止參照系中走得慢，這就是所謂的時間膨脹。具體而言，位于你朋友所在的運(yùn)動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；但相對地，在運(yùn)動參照系中的朋友也會發(fā)現(xiàn)，他是靜止的而你是運(yùn)動的，你的鐘表比他的鐘表走的要慢。類似地，在物理學(xué)里，這就是時間膨脹現(xiàn)象所面臨的著名的“孿生兒佯謬”：把一對剛出生的一男一女孿生嬰兒分開，若其中那個女嬰被人以速度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)動的女嬰比待在家里的男嬰年幼一些嗎？為了證明這個預(yù)言的真?zhèn)?，科學(xué)家用計時非常精確的原子鐘做時間膨脹的實驗。他們把一個原子鐘放在實驗室里，另一個放在一架高速飛馳在跑道上的飛機(jī)上，然后再把這兩個原子鐘的計時進(jìn)行比較，令人驚訝的是，放在飛機(jī)上的原子鐘確實比放在實驗室的走時慢一些！這個實驗結(jié)果使得這個理論有點(diǎn)自相矛盾，因為根據(jù)狹義相對論，兩個小孩的年齡應(yīng)該是沒有區(qū)別的。相對于其中留在產(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，兩個小孩時鐘的讀數(shù)應(yīng)該是完全一樣的；在原子鐘的實驗中，被置于實驗室的原子鐘和飛機(jī)上的原子鐘也應(yīng)該走時完全一樣才對，但實際結(jié)果顯示并非如此，那么狹義相對論確實存在自相矛盾嗎？回答是否定的，因為必須注意狹義相對論成立的一個前提條件，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)攜帶另一個原子鐘運(yùn)動都不是恒定速度的運(yùn)動，其過程必然有加速和減速運(yùn)動存在。因此，這兩種情況并不包含在狹義相對論里，佯謬的質(zhì)疑并不成立。

長度收縮和時間膨脹現(xiàn)象均已被當(dāng)代科技水平下高精度的實驗所證實。實驗室里放射性粒子經(jīng)過一段時間將衰變湮滅，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)量也是可以計數(shù)的。如果相對于實驗室，粒子隨著光束一起運(yùn)動，時間膨脹也將發(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。這便是證明奇異的時間膨脹和長度收縮的實驗所展示給我們的圖景。

愛因斯坦聲稱如果一束光線在一個以速度Ｖ后退的參照系中射出會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)動的物體上發(fā)出的聲音如何改變頻率。關(guān)于這個現(xiàn)象的典型例子是當(dāng)一輛鳴笛的警車快速超過你時，你會感覺警笛的音調(diào)會突然減弱。愛因斯坦預(yù)測，當(dāng)光線從一個接近光速的物體上射出時也會發(fā)生類似的頻率位移現(xiàn)象。

愛因斯坦發(fā)表第一篇關(guān)于相對論的論文三個月后，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)動物體的動能。如果運(yùn)動參照系的速度Ｖ值較小，愛因斯坦的公式與牛頓的動能理論相符合，但有一點(diǎn)截然不同，即如果Ｖ值為零，質(zhì)量為ｍ的物體其動能E并非為零，這時的能量是物體的靜止質(zhì)量能。雖然他的那個著名的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，他提出了一個公式與1905年的文章呼應(yīng)，闡釋光子具有有限的動能。在1905年第二篇關(guān)于相對論的論文中，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“用一個能量可能變化很大的的物體（如鐳等物質(zhì)）來檢測這個理論，如果理論與事實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，應(yīng)該說即使愛因斯坦自己也沒有意識到他的發(fā)現(xiàn)和異常簡潔的E＝mc2等式會如此深遠(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。