相对论是关于时空和引力的理论，依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。

广义相对论是爱因斯坦在1916年完成的，广义相对论表明在强引力场下时间的流逝速度也会变慢。承认经典物理学理论的正确性，并把经典物理学中一些绝对物理量换成了相对物理量，从而拓展了物理学的应用领域。由广义相对论推导出来的重力透镜现象，让天文学家可以观察到黑洞中的暗物质，还可以更好地评估质量在太空中的分布情况。

狭义相对论是爱因斯坦在1905年完成的，主要讲了两个原理，分别是“光速不变原理”和“相对性原理"。狭义相对论指出，一个人运动速度越快，这个人的时间就越慢，当一个物体的运动速度达到光速时，那么他的时间就是静止。举个通俗的例子：看到一个物体，是因为它发光，但是如果以光速远离这个物体运动，就不会看到它。假如物体在0.1s发出一束光，那么0.1秒前发出的光永远看不到，就是说0.1秒是永远过不了的，所以来说，时间就停止了。如果小于光速，那么同样道理，时间会缩短。就好比看到一辆火车过来时，如果以火车的速度与它同向运动，那火车就不会超过大家。

重力透镜，是任何庞大质量的天体，都会产生的由于重力导致电磁波偏折的现象。爱因斯坦在1936年的《科学》杂志上首次分析了星球(例如太阳)的重力透镜作用。实际上任何庞大的质量，如太阳、木星、地球、中子星或黑洞，都会如此。入射电磁波经过星球附近会发生偏折，其偏角正比于该星球的质量，且汇聚在远侧的焦点处。在太阳透镜的情况下，最小焦距约为至冥王星距离的24倍。人们在能利用太阳作为重力透镜之前还必须等待，直到有可能发送一架特别装备的航天飞机送达如此远的距离。

光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。 光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。

相对性原理是力学的基本原理。对自然的研究和对自然力量的利用从一开始就是同使物体个体化（Individualization）联系在一起的。一个物体到另外一些物体的距离随时间发生变化。当这些“另外的”物体依然是所论物体的不可分割开来的背景的时候，我们就无法用数列对应于该物体的位置和位置的改变，也就是不能对物体的位置和速度施行参数化。

在科学的宏伟殿堂中，阿尔伯特·爱因斯坦以他那开创性的相对论，永远地改变了我们对宇宙的理解。相对论，这一颠覆性的理论，并不是在实验室里经过无数次实验验证而诞生的，而是源自爱因斯坦的数学方法和深刻的物理思想。在这一探索过程中，实验方法几乎没起到任何作用。

相对论的完善程度，在爱因斯坦提出之初就已经很高了，但它并没有立即得到科学界的接受。这一等待验证的过程，充满了艰辛和孤独，直到14年后的1919年，爱因斯坦和相对论才因为爱丁顿对日食的观测结果而开始逐渐得到认可。在那个时候，科学界还在寻求实验的证据，而爱因斯坦的理论却已先行一步，描绘出了一个全新的物理世界。

迈克尔逊-莫雷实验，这个在许多教科书中被誉为相对论诞生背景的实验，实际上对爱因斯坦的影响并不大。爱因斯坦坚信，绝对运动是不存在的，而他所关注的，是如何将这一观念与电动力学的知识协调起来。这一信念，和迈克尔逊-莫雷实验所得出的结论并无直接联系。

在20世纪初期，物理学界盛行的绝对时空观与新兴的电磁学理论之间存在着尖锐的矛盾。这种矛盾在爱因斯坦眼中，成为了探索新物理理论的契机。他在大学期间就已经深入研读了麦克斯韦的电磁学理论，对其中的美感和深度着迷不已。与此同时，爱因斯坦还受到了马赫、休谟、庞加莱等人的哲学思想影响，开始批判性地思考绝对时空观的合理性。

正是在这样的背景下，爱因斯坦开始了他的思考。他提出了一个大胆的假设：光速是宇宙中的常数，不受任何影响。这一假设与当时人们普遍接受的观念截然不同，因为它意味着，不论观察者的运动状态如何，光速始终保持不变。爱因斯坦进一步推导出，如果光速是不变的，那么时间和空间的观念必须是相对的，而不是绝对的。

爱因斯坦将这一新观念应用于物理定律，特别是伽利略相对性原理，他发现，在新的理论框架下，伽利略变换应该被洛伦兹变换所取代。通过这一系列的数学推导和物理思考，爱因斯坦最终创立了狭义相对论，彻底颠覆了人们对时间和空间的传统认识。这一理论不仅解决了电磁学与牛顿力学之间的矛盾，也为后来的广义相对论奠定了坚实的基础。

尽管狭义相对论在理论上非常完美，但它有一个明显的局限：只能在没有外力作用，即惯性参考系中成立。在现实世界中，这样的参考系几乎不存在，尤其是在地球这样重力场存在的环境中，任何物体都受到引力的作用，不可能处于真正的惯性状态。因此，爱因斯坦开始思考如何将他的理论推广到更普遍的情况，特别是在存在重力的非惯性参考系中。

爱因斯坦的思考源于一个简单而深刻的问题：在重力作用下，物体为什么会加速下落？根据牛顿的万有引力定律，这是由于地球对物体施加的引力造成的。但爱因斯坦进一步思考，如果在一个封闭的升降机内，一个人无法通过任何方式感知外部的重力场，那么他如何知道升降机是静止在地面上，还是正在自由落体？换句话说，在没有外部参考的情况下，我们如何感知重力的存在？

这个问题促使爱因斯坦重新审视引力的本质。他认为，引力不是一种力，而是由时空曲率引起的。这一革命性的思想，最终导致了他创立广义相对论。在这一理论中，爱因斯坦抛弃了牛顿的绝对时空观，提出了时空可以被物质和能量所扭曲的概念。由此，物体在引力作用下的加速度，实际上是时空曲率的表现。

为了描述这一理论，爱因斯坦发展了一套新的数学工具——张量分析。利用这套工具，他推导出了描述引力作用的场方程，这些方程将物质与时空曲率直接联系起来。在广义相对论中，时空不再是一个被动的背景，而是一个活跃的参与者，它可以影响物质的运动，同时物质也可以影响时空的结构。这一理论不仅解决了狭义相对论的局限性，也为我们理解宇宙的大尺度结构提供了新的视角。

1905年被称为爱因斯坦奇迹年。这一年，26岁的爱因斯坦连续发表了4篇引起科学革命的论文，从此照亮了20世纪物理学的道路。要理解狭义相对论，让我们先追溯到17世纪，牛顿建立的力学体系是物理学坚定的基石理论，宇宙的规律似乎尽在掌握之中。直到1864年，麦克斯维建立了完整的电磁学理论，他认为光就是一种电磁波，并从麦克斯维方程推导出光速不变原理。后来，物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯维的理论。

但是光速不变原理和牛顿力学之间存在深刻的矛盾，对于任何惯性参考系，牛顿力学的规律都具有相同的形式，就是经典力学的相对性原理。假设一艘宇宙飞船以400Km/h的速度向地球的右边直线航行，宇宙飞船上的一名乘客向飞船的前方投掷了一个物体，以100Km/h的速度向飞船的前方移动。从船内乘客的角度来看，这个物体的速度是100Km/h。但是如果从地球的角度观察，物体的移动速度就是400加100等于500Km/h。但是假如这个人使用手电筒进行相同的实验，无论从飞船内还是在地球的角度来看，光的速度都是不变的，但这完全不符合牛顿力学里最基本的速度叠加。

1905年6月30号，爱因斯坦发表狭义相对论的电击性论文论动体的电动力学，在他之前，大多数人都认同空间和时间是绝对的观念，但爱因斯坦不这么认为。让我们想象一下，在光速不变的前提下，在直线匀速航行的飞船里，乘客拿起手电筒朝向飞船的天花板。当他打开手电筒，从他的角度可以看到，光会以直线到达天花板，但是从地球的角度观察，由于乘客和飞船都在向前移动，光会走一条更长的斜线路径才能到达天花板，这也就需要更多的时间。所以对于地球上的观察者来说，飞船上的时间变慢了。

如果从地球观察飞船内的时钟，会发现他比地球上的时钟走的更慢。这种效应就是时间膨胀，它在我们的日常生活中每时每刻都在发生。比如你坐在一辆高速行驶的火车上，你的时间相对于地面上的时间就会变慢，也就意味着相对地面上的人你变年轻了。只是这个差异非常微小，可能只有10亿分之1秒，所以我们完全感觉不到。但是当速度越接近光速时，时间膨胀的效果就会越明显。

爱因斯坦还告诉我们，不仅时间是相对的，空间也同样是相对的。继续我们的思想实验，还是在那艘匀速直线行驶的飞船上，乘客站在飞船的中心位置，拿了两个手电筒，分别朝向飞船的后方和前方。当他同时打开两个手电筒，从这个乘客的角度看，两束光是同时到达飞船前方和后方的边缘。但是从地球的角度观察，由于飞船正在向前移动，因此后面的光会比前面的光线到达边缘。同样的两个事件，从不同角度观察会出现不同的结果。

要解释这个悖论，就必须打碎我们对时间的传统概念。我们可以理解为，以地球的角度，飞船后部和前部的时间不是同步的。比如中间是12点，后边是13点，前边是11点。也就是说飞船头部的时间比尾部的时间距离未来要远一些。这将会导致从地球角度观察飞船的长度会有收缩的效果。相对于光速来说，我们生活在一个宏观低速的时间，所以对于我们来说，这种收缩的效应极其微小。比如一辆时速100公里的汽车，大约会收缩一个原子核的长度，几乎可以忽略不计。但是与时间膨胀的效果一样，收缩的程度会随着速度越接近光速不断增加。如果一个物体的相对运动速度达到99.5%光速的情况下，观察到的长度将只有原来的10分之1。但这种效果是相对的，从飞船内的角度看，地球也同样会收缩，这就是同时性的相对性原理。

简单来说，狭义相对论就是爱因斯坦在光速不变的前提下，把牛顿体系里除了万有引力定律的东西重新给推理了一点。但是我们要明白一点，爱因斯坦的相对论是对牛顿力学体系的修正，而不是替代。也就是说牛顿力学的适用范围是有限的，它只能在低速宏观的条件下使用。而当物体以接近光速运动的时候，牛顿的力学就不太重要。