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相對論
對行駛中的火車而言，周遭景物提供了一個參考，讓車上乘客可確定火車在前進中，也就是說，相對於靜止的景物(地球)，火車在移動。沒有了某種參考座標，只要是以等速前進的物體，很難判定他是在行動或靜止。事實上，地球以每小時十萬八千公里的速度(每小時六萬七十哩)繞行太陽，而太陽及太陽系則以每小時五十萬公里的速度(每小時三十一萬哩)繞著銀河系中心，銀河系則以每小時二百三十萬公里(每小時一百五十萬哩)的高速在宇宙中旅行！毫無疑問地，我們以令人咋舌的速度在宇宙中航行，但卻渾然不知！
在菲茨．吉拉德的理論中，在一般狀況下，移動中物體縮短的程度是相當微小的，但在移動速度近乎光速時，這種縮短現象就相當明顯了。一把三十公分(一呎)的尺，以一半光速(每秒十五萬公里)的速度移動時，長度會縮至二十七公分(十點五吋)；而在四分之三光速時，尺則變為二十公分(八吋)；當速度到達光速時，尺的長度為零。‧‧‧
接下來，荷蘭科學家韓德瑞克．安東．勞倫茲(Hendrik Antoon Lorentz，1853～1928)更以數學方式證明；物體在絕對運動方向上，不僅長度短縮，質量還會增加！舉例來說，一公斤物體以一半光速運動時，質量會增為1.15公斤；當速度增至光遠的四分之二時，質量將增至1.5公斤；而到達光速時，其質量則為無限大！勞倫茲的理論是針對運動中的帶電粒子，但之後愛因斯坦更證明出，所有運動中的物體，都會有質量增加的現象。
運動中物體在速度增加時，長度會縮短且質量會增加的這個理論，聽起來可能很荒謬，且與一般日常生活中的常識相互矛盾，但常識只適用於一般日常生活中，一般日常生活中的速度比光速小多了，時速六十公里(每小時四十哩)的車，其速度只有光速的一十八百萬分之一，他所產生的縮短及質量增加的量，是微不足道的！在物體運動速度接近光速時，這些現象逐漸明顯，但這種速度是我們一般無法見識到的！‧‧‧
在牛頓運動定律中，物體運動的速度是無限制的，只要力量夠大、時間夠長，物體就有可能達到任何速度，甚至等於或高於光速。但愛因斯坦理論的前提是，任何均勻運動中的物體都無法達到光速。在他的方程式中(包括菲茨．吉拉德、勞倫茲的方程式)，認為在光速運動下的物體是零長度且質量無限的，而超過光速時，物體的長度及質量已不再有任何意義～他們已成為虛數，愛因斯坦的這觀念已有了支持證據，因為沒有人見過比光速更快的物體！這說法至今仍是正確的。
如果物體速度接近光速時，質量會增加，那在「特殊相對論」發表時，仍廣為科學家接受的質量守恆定律(Law of Conservation ofMass，物質無法創出或消失)，又該如何解釋呢？所謂質量增加，即意味產生了新物質，這與質量守恆定律是互相矛盾的。愛因斯坦推導出了一個方程式，來解答這個問題：E=mc2，這個有名的公式中，E代表能量，m代表質量，c則為光遠。愛因斯坦重整了質量守恆定律，將之改造為質能守恆定律：質量和能量無法平白產生或消失，但他們彼此間可互相轉換。
愛因斯坦的相對論對時間觀念也有著相當非凡的見解。牛頓將絕對時間的觀念歸於上帝，就如同他對運動的絕對參考座標一樣。由於光速是一成不變、有限的常數，所以時間的測量也和長度、質量一樣，會因物體運動狀況而改變。在愛因斯坦的數學公式中，物體接近光速時，時間會延長。舉例來說，當物體速度達到光速的百分之九十八時，對該物體來講，一秒鐘會變成五秒鐘！這種現象稱為「時間膨脹」(time dilation)。和長度、質量的變化一樣，在日常生活中的速度下，時間的變化顯得微不足道，但在接近光速時，這種效應即變得十分明顯！
時間膨脹可在很多方面得到證實，例如，在核子加速器中，次原子粒可達到近乎光速的高速，有些粒子因不穩定，而以一定的速度進行分解。當粒子速度愈高，分解速度就逐漸減慢，一旦到達光速時，分解時間更長。另一項支持愛因斯坦論點的證據，是極度精密原子鐘的速率，在快速的噴射機或衛星上，這類原子鐘比在地球上的速率慢。
除此之外，愛因斯坦知道，他的相對論為水星奇特的繞日軌道，提供了答案，而這是古典物理無法解釋的。十九世紀時，科學家就發現行星繞行太陽的軌道像橢圓形，但卻不是完整的、封閉的橢圓。這些行星有「歲差」(precession)運動，也就是說，每繞行一周後，他們回到略為不同的原點，使得運行軌道成為一些不重疊的圈，而非一封閉的橢圓。最靠近太陽的水星所產生的歲差最為明顯。運用牛頓的運動定律，是無法解釋這現象的，這令科學家們十分困惑，特別是因為太陽周圍並沒有任何行星，會施力於水星，造成這種異象。古典物理的理論根本無法說明這奇特軌道，但一般相對論卻作了最精確的說明：愛因斯坦應用他的公式計算出了太陽的時空曲線，並發現水星的軌道模式和公式所預測的完全吻合。
(節錄自法蘭克．阿胥著，清麗芬等譯：科學大發現，臺北幼獅文化事業公司，民國八十七年，頁58-74)
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