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接下来我们就看看“光”这把神奇的钥匙是怎样开启相对论时空和量子世界之门的。
时间和空间是一个最古老的话题，也是一个最复杂的哲学问题，几千年来，人们凭借直觉、经验和智慧，不停地修正和总结着人类自身对时间以及空间的理解。直到 17 世纪，牛顿和伽利略以数学方程的形式总结出了物体运动与时间和空间的关系，人们才开始逐渐形成经典力学和经典时空观——绝对空间和绝对时间。牛顿的绝对空间是一个三维的空间，我们可以凭经验把它区分为上-下、左-右、前-后，也可以通过数学坐标轴把这三个维度表达出并对三维物体形成长-宽-高的概念以及坐标的概念。在牛顿绝对空间的概念里，空间像一个很大的容器，大到我们想象不到它的边界在哪，也想象不出它的边界外面是什么，所有的恒星、行星和大大小小的物体共同存在于这个空间容器内，并且在这个空间容器内以某种自己的方式和速度运动。这个“容器”内的三维空间是绝对均匀的，不管我们身处何处，也不管我们以何种方式运动，我们所感受空间的方式都是一样的，对同一个物体所测量出的长、宽、高也都是相同的。牛顿的绝对时间是我们日常经验的时间，是一个一维的只能“向前”流逝而不能“向后”倒退的时间，人们通过对地球自转及公转的统一认识把时间量化成年、日以及分、秒。我们可以通过精密的钟表来测量所有物体和运动所“流逝”的时间，不管我们身处何处，也不管我们以何种方式运动，我们的时间都以同样的方式流逝，我们对于同一个事件过程所测量的时间也是相同的。
牛顿的绝对空间和绝对时间非常符合人们的感官直觉和经验判断，在这个绝对的空间和时间模型下，人们不仅生存得很好，还建立起有序的社会规则和生产生活秩序。人们也从来没有怀疑过空间和时间的绝对性，就算没有牛顿的万有引力定律以及对运动和时空的总结，人们依然对空间和时间的绝对性有着朴素的认识，尤其相信世上最公正最公平的就是时间。
然而 1905 年，一位在专利局默默无闻的 26 岁的三级技术员开启了人生的狂飙，向世界发出了不同的声音。这一年他先用“光”这把钥匙打开了量子之门，发表“量子论”，提出光量子假说解决了光电效应问题；又用“光”这把尺子重新度量了时间和空间，独立而完整地提出狭义相对性原理；顺便还发现了原子存在的决定性证据并且计算出原子的大小，从而拿到一个博士学位。基于光电效应的光量子假说，让他后来获得了诺贝尔物理学奖，而狭义相对论更是开创物理学和人类时空认知的新纪元，这一年被称为奇迹年，100 年后的 2005 年被人类定义为国际物理年，用以纪念 100 年前的这位三级技术员的伟大发现。而且这一年之后，由于他突出的表现，光荣地从专利局三级技术员晋升成为二级技术员，也谱写出了一首年轻人职场奋斗的励志诗篇。这个年轻的三级技术员就是爱因斯坦，继麦克斯韦之后的又一位旷世奇才，后来成为人类历史上可以跟牛顿比肩齐名的物理学家。
爱因斯坦在他的狭义相对性原理中抛弃了绝对空间和绝对时间的时空观，没有绝对静止的空间，也没有绝对均匀的时间。没有绝对的空间，所以在“空间中静止”的说法就失去了意义，我们只能测量某件物体相对于其他事物的速度，运动是相对的，并且既然运动是相对的，所以在不同的相对运动状态下对同一件物体“空间尺度”的测量也是相对的，即一件物体的长、宽、高在不同运动状态下的测量是不同的。没有绝对的时间，所以每一个相对运动状态下的人或者物体所经历的时间流是不同的，即不同旅行方式和运动状态的人所经历的时间是不一样的。
这样的时空观点跟我们的直觉和经验完全不同，而且经典的绝对时空按照牛顿力学定律运行得井井有条，没有出现过什么直观上的问题，甚至在经典时空模型下能通过牛顿定律计算出当时人们看不见的星体的存在。一下子否定这种绝对时间和空间，不仅让人在日常观念和直觉上会感觉不安，甚至意味着会破坏整个牛顿物理定律存在的基础，这毕竟不是科幻作品可以随意天马行空。但是，爱因斯坦并不只是一个怀疑者和否定者，他否定了绝对的时间和空间，也提出了相对的时间和空间的观点，他打破了牛顿力学的局限，也建立了新的理论体系和模型，而且已经被证明这样的时空更加和谐，这个体系也更加地完善。
爱因斯坦的理论体系是基于两条公设：
（1）狭义相对性原理（狭义协变性原理）：一切惯性系都是平权的，任何物理定律的形式在所有惯性系中都是相同的，都具有相同的数学表达形式。
（2）光速不变原理：真空中的光速在任意惯性系中是恒定不变的，与光源是否运动及运动速度无关，并且与测量者是否运动及运动速度也无关。
我们在探讨牛顿运动定律的时候也涉及过相对性原理，但那时的相对性原理只适用于牛顿力学定律，而爱因斯坦提出的相对性原理适用于一切物理定律，通俗点讲就是在一个惯性系测量和观察到的物理规律，在另一个惯性系会有同样的测量结果和物理规律。对于光速不变，当初麦克斯韦电磁理论方程也计算出光速恒定的结果，后来经过迈克尔逊-莫雷实验也某种程度上有所证实，爱因斯坦认为光速恒定是一条公理，但也没有给出光速为什么恒定不变的解释。
在这两条公设前提之下，我们来看一下爱因斯坦是怎样发现和论证出新的时空观的。爱因斯坦不是个出色的实验物理学家，我们对他手动能力的印象还是科普读物中那个会做小板凳的小学生，但是他是“思想实验”的大师，他那蓬松的头发下面就是他最高效的“实验室”。爱因斯坦在他那发散思维的大脑实验室中想象自己以光的速度前进，从而推导出了两个存在相对运动的惯性系之间的时空变换关系，然后发现了“钟慢效应”和“尺缩效应”两种让人难以置信的相对论效应。
我们先看一个简单的思想实验场景，这个思想实验也许能改变我们对时间“同时性”的观点。
假设有一段铁路路基，路基的两端是距离比较远的A点和B点，路基的中间是M点，有一个人汤姆恰好站在铁路路基中间M点外侧的位置，这时，一道闪电同时击中路基两端的A点和B点。假如汤姆站的位置视野恰好合适，或者可以通过一组平面镜组合让他可以同时看到A点和B点，那么对于站在M点的汤姆来说，在刚才那道闪电发生之后，他一定看到的是A点和B点的闪光经过相同的距离到达他的眼里，对他来讲就是A点和B点同时被闪电击中。这个结论似乎很简单，非常直观，也符合人们的经验判断。
我们再假设还是在这段铁路路基上，有一列火车从A点开往B点，有一个人杰瑞站在火车里，当刚才那道闪电同时击中A点和B点时，杰瑞恰好在火车上经过路基的中点M并且跟随火车向B点行进。对于杰瑞来说，闪电击中A点和B点之后到达他眼睛这段时间里，他又向B点前进了一段距离，他距离B点的距离长度会短于距离A点的距离长度，而由于闪光的光速是恒定不变的，所以对于杰瑞来说他看到的B点闪光一定会比A点闪光更早到达他点眼里，对站在火车上的他来说就是B点和A点是先后被闪电击中了。
我们再看一个类似 的思想实验场景，也是假设有一段铁路路基，路基上有一列火车在匀速行驶，汤姆站在行驶的火车里，杰瑞站在路基旁边。这列火车的车厢正中间有一盏灯，汤姆站在车厢正中间灯的下方，假如这列火车车厢正好经过路基旁边杰瑞的时候，车厢里的汤姆按一下灯的开关打开灯。对于车厢里的汤姆来说，按下灯光开关的那一刻灯光会向火车厢两端传开，车厢两端A和B与灯的距离是相等的，根据光速不变原理，在灯光向两端传播过程中A和B与灯光之间的光速也是相等的，因此汤姆会看到灯光信号同时到达车厢两端。而对于站在路基地面上的杰瑞来说，当灯打开后，他也会看见灯发出的光线向车厢两端传开，但是光线传播的过程中由于火车向前行驶，光线到达车厢两端的时间内车厢会向前行驶一段距离，所以车厢两端A和B距离灯发出光线时的位置的距离是不一样的，这样灯光信号会先到达车厢B点，然后才到达A点，对于他来说灯光信号到达车厢两端不是同时发生的。
这两个关于火车的小思想实验都很简单，本质上也都是一样，只是一个闪电发生在车厢外面，一个灯光发生在车厢里面，车厢对于静止的路基而言是一个匀速运动的惯性系。同时发生在一个惯性系里不同地点的两个事件，对于位于不同惯性系的人来说，发生的时间看起来是不一样的，每一个参考系似乎都有自己的时间，如果不指明一个具体的参考系，对于不同地点的两个事件是否同时发生的判断就没有意义。这种推理结论违反了人们之前的直觉判断，人们在牛顿和伽利略的理论下对不同参考系下运动的相对性已经形成深刻的认知，但没想到时间的同时性也具有相对性。这个新的结论是爱因斯坦发现的，而且他不仅发现了这个现象，也找到了计算时间相对性的数学规律。
我们还是来到那段铁路路基和那列行驶的火车上，还是假设这列火车是高速匀速地沿着铁路行驶，汤姆还是站在火车上，而杰瑞也还是站在路基旁边站，这次火车上挂的是一个最精确的周期性计时工具——光子钟。光子钟的构造原理非常简单，上下有两面全反射镜子，中间有一个光子在两面镜子之间来回反射，我们可以把光子来回反射一次想象成像钟一样“嘀嗒”一下，由于光速不变原理，光子在固定的两面镜子之间反射一次的周期就是固定不变的，这个周期也很容易计算出来。假设我们调整好两面镜子的距离，使得光子往返一次的时间是 10 亿分之一秒，那么这个光子钟就可以认为是一个标准的可以精确衡量和计算时间的工具了。
假设在这列高速匀速行驶的火车上，汤姆打开光子钟的开关，调整好光子发射角度，让光子可以在随着火车前行的两个镜面之间来回反射工作，这个时候对于火车上的汤姆来说，他看到的这台光子钟没有任何变化，还是光子在镜面之间稳定地来回反射，时间也还是像以前一样“嘀嗒、嘀嗒”地流逝。但是对于路基地面上杰瑞来说，他看到的光子钟和原来就不一样了，在他看来由于镜面随着火车在高速前行，镜面之间来回反射的光子就变成来回反射的折线前进了，光子在镜面之间来回反射的距离相对之前变长了。由于光速不变原理，光子速度不变，但是每次经过的距离增加了，所以地面的人看起来光子钟的时间跟以前比变慢了，变成“嘀——嗒、嘀——嗒”的节奏在流逝。因此地面的杰瑞会得出一个结论，行驶的火车上，时间流逝得比他在地面上会慢。看来火车的思想实验果然很神奇，不仅告诉我们在不同的惯性参考系时间的同时性是相对的，也告诉我们不同的惯性参考系中时间的快慢也是不一样的。
其实把光子钟换成一个普通的手表，也会得出一样的结论，只是手表在运动中观察起来没有像光子钟那样直观而已。我们可以把一个光子钟和一个手表一起放在一列行驶的火车里进行观察比较，如果把火车完全封闭起来看不到外面的一切东西，火车里的人是不会感觉到自己是静止还是运动的，也不会通过观察光子钟和手表来判断出火车是静止的还是行驶的。因为根据爱因斯坦那两条公设之一的狭义相对性原理，在任何惯性系中，所有的物理规律都保持不变，没有什么实验方法可以判断确定自己惯性系的运动状态，所以光子钟和手表的比较也是看不出来什么区别的，因为如果可以通过光子钟和手表的比较就判断出自己的运动状态，这就违背了狭义相对性公理。因此，这种时间快慢不一样的观察现象并不是什么机械或者其他原因造成的假象，也不是什么幻觉，确实是时间本身变慢了，或者可以形象地形容时间“膨胀”了，我们把这种时间变慢或者膨胀的现象也称为“钟慢效应”。对于地面的人来说，他看到的不仅是光子钟变慢了，火车里的所有事情都变慢了，火车里的人一举一动也都变慢了。而且，由于运动的相对性，对于火车里的人来说，他看地面上的一切也都变慢了，地面上的人的一举一动也是变慢了，所以，两个人看到对方的时间都是变慢了，都觉得对方比自己老得慢。这简直是匪夷所思。
关于这种彼此看对方都会变慢的情况我们先不做过多思考和分析，我们先看一下爱因斯坦是怎样计算出不同惯性系下时间变慢程度和运动速度的关系。我们还是回到刚才那个高速行驶的火车场景，可以把火车上的时间 t 和地面上的时间 t' ，以及火车相对地面的速度 v 和光速 c 形象的画成示意关系图，对于地面上的人来说，光子以恒定光速在地面观察时间 t' 内经过的距离正好是以地面距离和平面镜距离为直角边的直角三角形斜边，因此这个示意图如下直角三角形：
根据勾股定理，有以下关系：
通过简单的方程计算可以得出地面上的时间
和火车上时间t的关系：
这个变换公式可以很清楚地让人看出，地面观察者测量的时间
>火车上测量的时间
，并且火车的行驶速度
越大，时间流逝得就越慢。这个相对论变换时间前面的系数可以叫作“相对论因子”，也可以叫作“洛伦兹因子”，这个变换也可以叫作洛伦兹变换。相对论变换不仅可以得出对不同惯性系下时间变换公式，也可以计算出不同惯性系下长度的差别，假如通过记录高速行驶的火车两端的坐标值，在地面的人测量起来行驶的火车长度会变短收缩，并且长度变化程度也遵循洛伦兹变换，我们把这种对运动物体测量长度变短的效应也称为“尺缩效应”。当然，这种运动物体的“收缩”也不是机械的、材料的或者其他什么原因，跟外力也无关，而是空间本身在运动方向上收缩了。
相对论时空观超出当时人们的认知能力，而且我们平时所经历和看到的速度都远远低于光速
，因此通过洛伦兹变换推导出来的时间变慢的程度非常小，假如火车的速度是 300 千米/小时，通过洛伦兹变换得出即使火车按照这个速度行驶 100 年，时间变慢的程度也只有零点几毫秒，这种时间变慢的变化程度是人们日常无法感知到的。但如果乘坐宇宙飞船，速度达到
的时候，飞船上的 1 秒就会相对于地面的 2.3 秒钟，当飞船速度达到
的时候，飞船上的 1 秒则相当于地面的 7 秒钟，而如果飞船速度达到
，那么飞船上的 1 秒就相当于地面上的 224 秒，当然如果飞船可以达到光速
，那么地面上看到飞船的时间会慢到完全停止的状态。
这就是狭义相对论关于时间和空间相对性的观点，可以简单总结为运动的惯性参考系中时间会变慢，空间会被压缩。狭义相对论发现至今已经一百多年了，也许我们现在对于时间变慢之类的观点并没有多少惊讶了，但对于当时的物理学界来说，相对论是个观点和结论都很基本，没有什么实验基础但是又让人感觉不可思议的理论。相对论时空观彻底颠覆了人们对时间和空间的认知，当时的人们很难接受，但也找不到很好的实验证明或者推翻它，毕竟当时的实验条件很难获取到接近光速量级的超高速运动物体，也就无法观察到明显的时间变慢效应。相对论发表后的20 年里，争论依然很激烈，甚至当时爱因斯坦因为光电效应的光量子理论获得诺贝尔奖提名时，瑞典科学院还特意指出相对论不在评奖所考虑的范围，并且建议爱因斯坦在获奖感言里不要提及相对论的事情。
相对论发表的五十多年以后，粒子物理和高能实验物理有了飞速的发展，在 1968 年，人们通过对宇宙射线中 μ 子衰变寿命的测量，发现这种以接近光速高速运动的 μ 子寿命明显比静止状态要延长很多，并且与狭义相对论预测和推导的结果完全一致，才验证运动惯性系中时间变慢的相对论效应。后来 20 世纪 70 年代科学家又通过将高度精准的原子钟放在天上连续高速飞行 15个小时，落地后与留在地面的原子钟进行比较，结果发现飞行15 个小时的原子钟读数比地面的原子钟慢了，并且在误差小于1%的范围内检验了相对论时间变慢的效应。
至此，我们通过“光”这把神奇的钥匙进入相对论大门后看到了一个全新的时空，这个时空下同时是相对的，时间是会膨胀的，而空间也是会收缩的，这种全新的时空是我们进入大门后的第一次“奇遇”，但绝不是唯一的一次，随着我们继续深入，后面还有更加神奇和不可思议的现象。
我们在熟悉了“火车思想实验”得出的几个结论之后，其实也产生出了几个更深一步的疑惑，疑惑一是如果有两艘宇宙飞船沿着相反的方向高速飞行，速度都达到
，那么从一艘宇宙飞船来看另外一艘，是不是另外一艘的飞行远离速度可以超过光速
；疑惑二是如果在一艘飞行速度达到
的宇宙飞船上，沿着飞行方向向前发射一枚速度
的导弹，那么对于地面上的人来说，这枚导弹的飞行速度是不是也超过了光速
；疑惑三是根据相对论变换的洛伦兹因子，如果一个物体的运动速度超过了光速
，那按照公式计算会得出一个虚数结果，这个虚数是否有意义，又会代表了什么意义，物体的速度难道永远无法达到或者超过光速
？
前两个疑惑，可以在洛伦兹变换的基础上做进一步的数学推导和修正，可以得出洛伦兹变化下速度合成公式：
一般情况下两个物体的速度
v
和
u
相对于光速
都很小，所以这个公式就可以近似看成经典的速度合成公式。但是当
v
和
u
很大的时候，公式中的分母就不能忽略不计了，随着
v
和
u
的不断增大，它们二者合成的速度会不断地衰减，无限地逼近光速
。我们把疑惑一中两艘宇宙飞船的速度代入速度合成公式，可以得出一艘飞船相对于另一艘的合成速度W是
，依然没有超过光速
，即使是两个物体以光速
背道而驰，代入公式也会发现叠加以后的速度仍然是光速
。这就是为什么依靠速度叠加并不能突破光速的原因，关于前面的疑惑一和疑惑二也都得到了合理的解释。当然这个新的速度合成公式本身是在光速不变原理基础上推导出来的，这是物理法则的一种自洽性，而围绕光速不变这个基本原理，任何人都没有给出合理的证明，爱因斯坦也没有解释为什么光速是不变的。
新的速度合成公式，只是爱因斯坦解决超光速难题的第一步。对于第三个疑惑，物体是否可以持续加速达到甚至超过光速，爱因斯坦又在动量守恒定律以及速度合成公式的基础上，推导出质速公式：
这个公式中的m0 表示物体的静止质量，也称为内禀质量，m为物体以速度 v 运动以后获得的相对论质量，很明显当物体运动的速度越快，它获得的相对论质量越大。而根据牛顿力学方程，物体的质量越大，那么要使得这个物体继续加速的推动力就必须越大，当一个物体的速度无限接近光速的时候，根据质速公式得出质量也会变得无限大，而要想让它继续再加速就必须给施加无穷大的力，无穷大的力显然是不现实的，因此任何有质量的物体的运动速度都永远无法达到光速，更不可能超过光速。
我们已经在进入相对论的大门后看到了关于同时的相对性、时间膨胀、空间收缩以及洛伦兹变换下的新的速度合成公式和运动物体的质速关系公式，我们所看到的每一个推论和公式都颠覆了人们以往的认知，时间和空间不再是绝对的，物体的质量也不再是固定不变的。而在这些之上，爱因斯坦又在质速公式和经典力学动能公式的基础上，通过“无穷级数展开”等数学手法推导出人类历史上最著名的，揭露宇宙本质但又简洁至极的一个传世公式——质能方程：
关于质能方程，我们已经无须过多描述，这个公式已经成为爱因斯坦的代名词，甚至可以认为是科学的一个真理，几乎被中小学生都认识和了解，无数次地出现在各种教科书和科普杂志的封面，它揭露了宇宙中物质质量和能量之间的转换关系，让人们意识到物质所蕴藏的巨大的能量。物质如果完全转化成能量，所释放的能量威力是巨大的，如果把我们一个普通人的质量全部转换成能量，那释放出来的能量足足有三十颗原子弹爆炸同样的威力，但这种完全转换也是很难的，人们几乎无法通过各种手段让物质真正“消亡”。爱因斯坦天才的洞察力让人震惊，但其实他关于质能关系最开始的表述是
而不是
直到几十年后人们进一步发现物质质量的本质后，才意识到当年爱因斯坦关于质能关系的表述是多么前瞻和深刻。
至此，我们在进入相对论大门后看到的一个新的时空观已经展现完全，爱因斯坦也把这几个结论总结成论文于 1905 年发表，人们称之为狭义相对论。我们从狭义相对论中领悟到不同地点的两个事件的同时性是相对的，也就是“绝对的同时性”其实并不存在，也就是没有绝对的“现在”发生的事件。
人们之前对于宇宙时空的理解是空间是绝对的，时间也是绝对的，以“自己”作为时空的观察中心，空间是均匀的以三维的形式向外延伸，时间是均匀的以一维的形式分为过去、现在和未来。对于“自己”和一定距离外的空间处，我们都经历共同的时间，也就是经历着共同的“现在”，并且在共同的“现在”下创造着共同的“未来”。这种时空可以想象成下图的模型。
然而狭义相对论给我们的启示是，这种时空模型是错误的，我们对于“自己”和一定距离外的空间事件的“同时性”的判断是无法做到绝对精确的，所以对于这种“同时性”的判断也就失去了意义。我们之所以感官上觉得“自己”周围所有发生的事情都是“同时”的，其实只是因为信息的传送媒介——光速太快，而我们的感知距离又非常有限——我们眼睛能看到耳朵能听到的范围只能几百米几千米之内，我们对时间感知的敏感度和分辨率也有限——我们对时间的反应和感知最短只能做到大约十分之一秒。因此不管是我们在看一场球赛，还是在听一堂课，在这个空间距离范围内，我们都觉得周围的一切在“同时”进行的，但如果这个空间距离足够大，那我们就会很清楚地可以感知到两个地方失去了“同时”和“现在”的意义。假如在上海的一个人和北京的一个人在打电话，通话信号最终是转换成电磁波以光速 C 进行传输，信号从上海传输到北京（距离大约 1200 千米）的时间大约为 0.004 秒，而这个时间人们是无法分辨清楚的，因此两个人觉得一问一答是在“同时”进行；但假如在上海的一个人和火星的一个人在打电话，通话信号同样通过电磁波以光速 C 进行传输，而地球和火星之间的距离大约有 2 亿千米，那两个人就会觉得这一问一答的通话就无法顺畅地进行，我在地球上问了一个问题，即使火星上的人听到后立刻回复也要在二十分钟之后才能传到地球上我的耳朵里。那么对于地球和火星上的人来说，这二十分钟的时间属于“延展的现在”，它既不在过去也不在未来，并且地球和火星之间的这延展的二十分钟永远无法消除掉。所以根据狭义相对论启示，时空可以想象成如下这种模型：
在这种时空模型下，在一个事件的过去和未来之间，存在一个与空间距离相关的“延展的现在”，空间距离越大，这个“延展的现在”所延展的范围就越大。这个范围既不是过去也不是未来。之所以存在这种既不在过去又不在未来的时间范围，是因为我们对信息和信号的传递和判断是以光为媒介的，而光速又是有限的。我们可以通过声音和听觉来感受这种“延展的现在”的存在，假如汤姆和杰瑞两个人站在一个封闭又安静的广场里，距离三百米，然后闭上眼睛通过大声对话进行交流，由于声音的传播速度是 340 米/秒，两个人就很能清楚地感受到当说完话后两秒钟才能听到对方的答复，假如汤姆对杰瑞说“我现在过去找你玩”，杰瑞会在一秒钟之后听到并且回复一句“好”，但实际上汤姆已经在杰瑞听到他要过来之前一秒钟就已经出发走过来了，杰瑞去问对方“现在”出发与否也是没有意义的，唯一有意义的是他听到了对方说的出发的信号并以此为判断对方“现在”出发了，但实际对方已经在他的“过去”出发了。汤姆大声问杰瑞“你现在在干嘛呢”，两秒钟后会听到杰瑞回答“我现在在吃饭”，对于汤姆来说，他知道杰瑞“现在”在干嘛是需要两秒钟的，这两秒钟既不在过去也不在未来，这是一个“延展的现在”。
在我们日常生活的空间内，这个“延展的现在”的时间非常短，我们身边方圆几百米内这个既不在过去也不在未来的时间范围只有几纳秒，人是无法感觉到这纳秒级时间的存在的。但如果在距离我们地球两百万光年的仙女座星系上，对于我们来说这个“延展的现在”持续的时间就是足足的两百万年，假如我们可以通过天文望远镜看到仙女座星系的一颗行星上的人处在石器时代，但我们无法得出结论“这个行星上的外星人现在进入了石器时代”，因为我们之间存在着两百万年的“延展的现在”，这两百万年的时间内这个星球也许已经进入共产主义社会了，或者也许已经灭亡了，我们永远无法知道这两百万年间那颗星球上“现在”的事情，因为这段“现在”延展成了两百万年，远远超过了我们人类个体的寿命。
这个“延展的现在”的时空模型，是在狭义相对论的基础上，对于同一个惯性系下不同地点的两个事件发生的“同时性”进行判断和推演而得出的。之前“行驶火车的思想实验”以及“钟慢效应”和“尺缩效应”，都是基于两个不同速度的惯性系下产生的时空现象。我们现在也了解到，即使在一个惯性系下，不同空间距离下的时间其实也是相对的，存在一个与空间距离有关的“延展的现在”的时间存在，这个时间被编织在时空事件的纹理之中永远无法被消除，所以，这也就说明时间跟空间距离是有关系的。我们在经过牛顿、伽利略和法拉第、麦克斯韦建立的理论体系下，已经认识到世界是由时间、空间、粒子和场所构成的，而且那个时期的认知是时间、空间和粒子一样都是绝对的存在，现在在爱因斯坦的狭义相对论下，我们隐约地开始察觉到——时间和空间有可能是交织在一起的。
狭义相对论下，时间是相对的，空间也是相对的，但是狭义相对论进一步阐明——时空是绝对的，时空并不能简单理解成时间和空间，时空是作为一个整体存在的，而且作为整体的时空是绝对的。狭义相对论问世三年后，爱因斯坦当年的数学老师闵可夫斯基提出了把三维空间和一维时间结合成四维时空的思想。闵可夫斯基是爱因斯坦在大学时期的数学老师，当年对经常逃课的爱因斯坦印象并不好，但后来爱因斯坦的狭义相对论让他对这个当年的调皮学生刮目相看，闵可夫斯基基于狭义相对论的空间与时间的关系情况下提出了四维时空的概念，这种四维时空思想奠定了爱因斯坦后面广义相对论的数学基础，他的数学工作被评价为找到了“相对论的整个武器库”。可惜的是，闵可夫斯基在他提出“闵氏时空”后的一年便因急性阑尾炎抢救无效去世了，年仅 45 岁，没能看到几年后他的那位数学不好的调皮学生爱因斯坦凭借他的四维时空模型和数学工作基础达到人类认知的巅峰——提出了广义相对论。
四维时空会涉及到一些几何学知识，我们还是把复杂的数学几何问题做一定简化处理去理解，并通过理解逻辑上简化的模型去认识相对论时空。我们中学都学过几何，并且会通过建立二维坐标系和三维坐标系来计算和解决几何问题，在二维坐标系里一个点可以通过二元数对（
）来对应，三维坐标系里的一个点可以通过三元数对（
）来对应表示。互相垂直的二维和三维坐标系很好想象，但是对于四维时空，我们很难想象出互相垂直的四维坐标系的直观实际图像是什么样子，因为我们的大脑中和经验中很难为这第四个互相垂直的维度找到合适的位置，所以我们干脆放弃这种想象，只需知道四维时空坐标系同样可以通过四元数对
）进行对应表示和计算即可。闵可夫斯基提出了这种四维时空坐标系的思想，并且指出，不同惯性系下的观测者对于一个事件时间和空间的测量，其实可以认为是同一个事件在四维坐标系下转了个角度来进行的观测和测量。
爱因斯坦在狭义相对论中提出了时空的相对论变换，也就是洛伦兹变换，来表示和计算两个惯性系之间的时空坐标变换关系。我们从洛伦兹变换公式中可以看到，对于空间坐标的变换公式里含有时间坐标，而对于时间坐标的变换公式里也含有空间坐标，在一个惯性系里的两个事件的空间距离在另一个惯性系中可以变换成时间上的差异，两个事件的时间上的差异也可以在另一个惯性系中变换成空间上的距离。从洛伦兹变换公式中可以反映出时间和空间是有紧密联系的，并且可以得出两个惯性系之间的坐标满足关系式：
这种关系式本身可以认为是四维坐标系的一种转动的结果，对于四维坐标系下关系式出现的
，可以通过在时间这第四个维度的坐标轴上引入虚数单位
来表示，因为
，因此四维时空的坐标系可以通过四元数对（
）来表示。时间轴不是简单的
，而是一个包含光速常数
的虚时间
，霍金在《时间简史》中写道：“也许所谓的虚时间才是真正的时间，而我们称作时间的东西恰恰是空想的产物。”
就像我们把二维坐标轴绕原点转动一个角度后也会得出关系式
坐标系转动了，一个物体在原来坐标系下横轴和纵轴方向投影的长度随着坐标系的转动而发生了相应变化，但是这个物体在两个坐标系内本身的长度是没有变化的。因此虽然我们很难想象出四维时空坐标系的样子，我们依然可以推论出，随着四维时空坐标系坐标轴的转动，一个事件本身在空间轴的投影和时间轴的投影是会随着坐标系转动而变化的，事件在空间轴上的投影相当于我们对“空间距离”的测量，在时间轴上的投影相当于对“时间间隔”的测量，所以我们在不同惯性系下对于同一事件的时间测量和空间测量是不一样的，“尺缩效应”和“钟慢效应”也是因为不同观测者所在的四维时空坐标系发生转动而产生的测量差别，但是这个事件在四维时空（
）中的时空间隔是恒定的，时空本身是恒定不变的。这也就能理解为什么物体运动的速度越快，它时间流逝得也就越慢，因为时空是恒定的，在空间中前进得越快，在时间中的前进就会变慢，当然这种在时间和空间的变化不一定是线性关系，而当在空间中前进的速度达到光速极限时，在时间中的流逝也就慢到停滞了。
至此，狭义相对论得出关于时空的结论性观点，时间是相对的，空间也是相对的，但是时空本身是绝对的，时间和空间也不是单独存在，而是作为时空整体存在的。在狭义相对论下，世界的本源构成发生了进一步的变化，并不是由时间、空间、粒子和场所构成，而是由时空、粒子和场所构成。
爱因斯坦拿着“光”这把神奇的钥匙开启了相对论的大门，向人们展示了一幅全新的时空观，也改变了人们对于世界本源构成的认知。然而相对论问世后，这种全新的颠覆性时空观超出了当时人们的认知能力和理解能力，对于相对论的很多推论过程和观点似懂非懂云里雾里的，也找不到合适的实验验证真伪，所以从科学角度、哲学角度和逻辑角度都产生很多思考和辩论，一时间也产生出很多似是而非的佯谬。关于相对论的有些思考和佯谬也是很经典很有意思的，而且至今依然被人们思考和讨论着。
第一个疑问，也是最大的一个疑问，就是两个基本公设之一的光速不变原理，光速为什么不变，光速为什么不是无限的？人们的知识体系中也存在很多公理或者公设，比如过两点有且只有一条直线，平行线永不相交等等，但人们对这些公理并没有太多真正的质疑，因为很多概念本身就是定义出来的。而光不一样，光并不是定义出来的一种概念，光是人们每天能实实在在感受到一种真实存在，光是传递信息的一种最常见的媒介，那光速为什么会不变，光速是真的不变还是只是人们测量不出光速的变化。
光速恒定已经是被我们观测和实验所验证的结论，我们可以在双星轨道观测中得到光速不变的证据。双星就是两颗围绕它们共同的质量重心互相绕转的恒星，对于我们地球上的角度来看，这样的两颗恒星的运动方向不同并且在不断变化，有时朝向地球运转，有时背离地球运转。如果它们发出的光由于各自的运动方向不同而产生光速的变化，这样我们就会看到双星的运行速度和轨道不断变化的现象。但实际的天文观测却从来没有看到过这些速度和轨道不稳定的现象，说明光速与光源的运动是无关的。而更加确定光速不变的实验观测是在 20 世纪 60 年代，科学家在粒子加速器内制造出速度达到 0.99975 c 的π0 介子，这种π0 介子会在极短时间内衰变为γ光子，因此π0 介子发出的γ光子可以看作是在 0.99975 c 运动速度下的光源发出的光，如果光速跟光源运动速度有关，那这个γ光的速度将高达 1.99975 c ，但实际测定结果是此γ光的速度仍为光速。另外，从哲学角度来看，如果光速会随着光源的运动而变化，那我们所看到的世界将会发生一片混乱，因果关系会完全被打破。我们假设在火星上空有个人，背对着我们地球可以看到的方向以高速飞向火星地面，而火星地面也有一个人以高速从地面飞向他，两个人在快相遇的时候飞向地面的那个人向地面飞来的人开了一枪。如果光速会随着光源变化，那么从地球来看飞向火星地面的人开枪子弹的光速就会小于正常光速，那对于我们从地球来看，火星上那个人会在子弹击中他之前就死掉，这是违背因果关系的，也是不合理的，这种因果关系的破坏会让整个世界一片混乱。
然而即使有这些验证和哲学思考，也只是说明光速不受光源运动的影响，这背后的原因可能是这种质量为零的光子本身并不会受光源运动推力的影响，光源的初始速度无法施加到无质量的光子身上。但如果光源本身没有运动，而是观测者以高速飞向或者远离发光的光源，在他高速冲向光源并且与光源发出的光相遇的那一瞬间，所看到的光速为什么依然是恒定的呢？其实我们再仔细想一下，这种观测者本身在运动的情况下测量光速是很难实现的，我们无法简单地通过速度=距离/时间来计算这一点，因为通过速度公式间接地计算光速，必须保证在测量距离和时间足够精准，而光速实在太快了，在观测者和光相遇的那一瞬，没有任何有效手段和工具可以从观测者的角度捕捉到光相遇后到达的位置和距离的，因此也就无从去精准地计算出光速是否会产生微小的变化。也有人认为迈克尔逊-莫雷实验通过测量地球移动方向（图反射镜 2 方向）和垂直移动方向上（图反射镜 1 方向）没有光束干涉条纹的变化，验证了地球快速自转的移动方向测量没有改变光速大小，但其实这个结论并不严谨，因为迈克尔逊-莫雷实验在地球自转移动方向所测量的是光线往返，最多只能说明光在地球运动方向上双程往返不改变光速，并不能作为单程光速不变的证据。
迈克尔逊-莫雷实验示意图
看来我们只能接受光速不变这个公理，或者我们可以不去怀疑光速不变这个事实，但是我们还是会好奇光速为什么会不变。也许光速不变不只是科学领域的公理，也是哲学范畴的问题。我们对光的理解可能还是不够全面，对光速的理解一直存在误会，把光速理解成一种“运动”产生的速度，所以很自然的会觉得“运动”产生的速度在不同惯性系下保持速度恒定是有点匪夷所思。也许光并不是一种我们理解的那种“运动”的形态，而是一种类似“路灯”的形态，我们经常可以看到路灯一整排地分布在路边，如果调整好路灯点亮的顺序，我们会看到路灯一盏接一盏地依次点亮起来，我们看到这一排路灯全部点亮的“速度”并不会因为我们自己的运动与否而发生变化，无论我们站在路边静止地观察，还是我们坐在车里行驶中观察，路灯都是一样的“速度”全部点亮。在我们后面进入量子力学的大门后，会发现原来空间其实并不是连续的，而是由离散的最小的“普朗克尺度”所构成，光在空间中也是在穿越这无数的离散的“普朗克尺度”而传播前进，而作为无质量的光子在固定时间内穿越这些离散的“普朗克尺度”空间的数量是恒定的而且是最多的，所以直观的观测结果就是光速恒定并且是最大的，其它有质量的物体在穿越这些“普朗克尺度”空间时就会与这些“普朗克尺度”空间发生作用导致速度变慢，所以直观观测结果就是任何有质量的物体都无法达到光速。关于“普朗克尺度”我们会在后面进入量子世界大门后再进行详细阐述和解读的。
或者我们再从哲学角度思考一下，我们为什么要纠结于“光速恒定”呢，或者我们为什么要纠结和拘泥于“光速”本身呢，人们从来没有那么纠结过光子的质量为什么一直恒定为零，为什么就要纠结于光速一直恒定为 c 。光作为一种宇宙“标尺”般的存在，它并不是靠“质量”或者“速度”去定义的东西，质量和速度只是人们更熟悉和容易理解的一种概念，作为宇宙本身的标尺，根本不需要在乎人类思维和意识是怎么理解的，光就是光，不是质量和速度。我们回头看一下光速 c 作为恒定常数所出现之处，一个是麦克斯韦方程组中计算出的光速 c 与真空介电常数和真空磁导率的关系，一个是爱因斯坦狭义相对论中得出的质能方程中光速 c 与物质质量和能量之间的关系，还有一个就是光速 c 本身。这三个所出之处其实涵盖了世界最本源的构成——时空、质能和场，电磁场的统一与光速常数 c 有关，质能守恒定律的统一与光速常数 c 有关，而我们所表述的光速 c 本身（单位是米/秒），我们不要把它看成是距离S /时间 t ，而是更本质的空间本身/时间本身，因此揭示出时空是绝对的，时空的绝对性统一于光速常数 c 。所以不是光速恒定，而是时空本身恒定。
现在我们对光速恒定这一公设的哲学意义做了思考，就算没搞清楚也暂且不去纠结这个问题，我们还要继续往前走，看看相对论时空观下美丽而奇怪的现象。
根据狭义相对论，不同运动速度的惯性参考系中时间的快慢是不一样的，由于运动是相对的，那么对于两个惯性参考系中运动的双方来讲，都会认为对方的时间会变慢。这听起来也有点匪夷所思，高速运动的两个人都觉得对方时间变慢，自己比对方老得快，那到底是谁的时间真正变慢了呢，这里面是不是有什么美丽的误会？其实，这里没什么不对的，虽然有点奇怪，但事实确实会有这样的现象，就像一个人拿着放大镜看另外一个人的眼睛，两个人都会觉得对方的眼睛变大了，而且比自己的大。两个互相做匀速直线运动的人确实会觉得对方时间变慢了，但这种感觉必须以双方保持运动状态为前提，在这个前提下双方互相离开后就永远不会再相遇了，也就不会再面对面验证彼此到底谁的时间更慢谁老得更快。如果他们想再次面对面验证，就必须打破原来那种运动状态，进行减速、反向加速、再减速的过程，这就是另外一个问题了，这个问题后面爱因斯坦在广义相对论中给了合理的解答。而且就算两个人不改变运动状态，通过打电话或者发信号沟通彼此的时间，这其实也无法改变两个人原有的感觉和判断，因为所有的信息传递都不会超过光速，两个人对信息信号在路上传递的时间判断也是不一致的，所以最终的结果还是认为对方的时间变慢了。
同样，因为运动是相对的，所以对于两个惯性参考系中运动的双方来讲，都会认为对方的尺子会收缩。当然，这种“尺子收缩”只是一种测量效应，并不是尺子物体本身真正的物理收缩，彼此看到对方“尺子收缩”也是因为双方都是基于自己所在的惯性系下的“同时”去测量对方尺子的两端，而对于双方来说彼此的“同时”并不是一致的。另外，这种运动方向上测量的“尺缩效应”并不是看起来物体被压扁变短，这个当年爱因斯坦都误认为是运动双方会看到彼此被压缩变短。这个问题的答案直到爱因斯坦去世后四年才被科学家发现，我们是看不到长度收缩的，长度收缩只是一种测量，不是观看结果，我们能看到的会是运动物体旋转了一个角度，并且伴随着颜色和亮度的变化，那是一个弯曲的抽象的具有很大畸变的景象。
这个运动双方都认为对方时间变慢的现象可以引申出狭义相对论时空观一个经典的哲学问题——双生子佯谬。假如有一对双胞胎，宇航员哥哥乘坐宇宙飞船飞向太空去旅行，弟弟留在了地球生活。地球上弟弟会发现高速宇宙飞船里的哥哥时间变慢了，所以他会判断等哥哥回来的时候会比他年轻。但是也有人会说，对于宇宙飞船里的哥哥来说，他觉得地球和弟弟一起高速远离了他，弟弟和地球上的时间都变慢了，所以等他再见到弟弟的时候弟弟会比他更年轻。很显然当哥哥乘坐飞船再次返回地球跟弟弟碰面的时候，是不可能两个人都比对方更年轻的，到底是谁更年轻呢？这就是双生子佯谬。双生子佯谬问题曾引发了世界范围内的哲学大讨论，这个问题最终的结论是不管从谁的角度去分析，飞船返回地球的时候都是宇航员哥哥比地球上的弟弟更年轻。这个结论其实跟我们之前讨论钟慢效应的飞行的原子钟实验已经证实了。对于双生子来说，哥哥返回地球需要经过减速、反向加速并再减速的过程，就在那回头加速的那一刹那，地球上的弟弟就“迅速变老了”，但是为什么这回头加速的一刹那就发生了变化，真正的解释并不能在狭义相对论时空中找到理论基础，我们需要再往前进一步，进入广义相对论的大门去寻找答案。
狭义相对论问世后，爱因斯坦从一个默默无闻的专利局三级技术员成为开创物理新纪元的人物，一时间圈粉无数，并且很快被单位升职加薪成为二级技术员，家庭生活也比较和谐。但爱因斯坦本人并不是非常满意，甚至有些烦恼。当然爱因斯坦不是个世俗的人，不会因为自己的粉丝吹捧而骄傲，也不会因为一些专家和黑粉的质疑而苦恼，虽然很多人认为爱因斯坦是基于很多其他学者的理论研究基础上发表的狭义相对论，当时洛伦兹、庞加莱、马赫等学者都不同角度地阐述了相对性原理和质疑过牛顿的绝对时空观。但实际上爱因斯坦提出狭义相对论时并没有太多地研究当时的学术理论，毕竟他当时也只是个专利局的三级技术员，很多最新的理论研究是他根本就无法接触到的，而且那些知名学者虽然提出过一些观点，但都没有勇气再往前探索一步，甚至狭义相对论发表后他们也站在反对和质疑的队伍中。爱因斯坦不是个功利的人，他不会因为自己升职加薪不到位而苦恼，他甚至后来拒绝了色列政府向他发出担任总统职务的邀请。爱因斯坦也不是骄傲和自我的人，在学术上也没有像牛顿那样唯我独尊的气势，不管是在刚出道时的狭义相对论，还是后来达到“人类历史上最高智力成就”的广义相对论，他都对同时期的学者保持尊重和高度评价，在他成名后跟玻尔长达几十年的量子理论世纪之争中也保持着风度和微笑。爱因斯坦又是个很自信的人，虽然狭义相对论发表之初几乎得到全世界的不解和质疑，而且当时也没有后来的实验验证他的理论，但他从来没有怀疑过自己理论的正确性。那么爱因斯坦苦恼什么呢，他虽然没有像牛顿那样不知爱情为何物，但也还没有被情所困而苦恼。
爱因斯坦苦恼的是，他的狭义相对论并不是完美的，有很多问题是狭义相对论没有解决的。第一个让他苦恼的问题是狭义相对论是建立在狭义相对性原理基本公设之上，是基于惯性系这种参考系下得出的结论，而惯性系是一种极为特殊的参考系，是没有引力作用也没有加速度的静止或者匀速直线运动状态的参考系，现实中由于宇宙万有引力无处不在从而导致引力带来的加速度也是无处不在的，所以现实中这种理想化的惯性系根本不存在。那个关于双生子佯谬的经典哲学问题，就是由于作为飞行员的哥哥在返回地球过程中破坏了匀速运动这个惯性系背景，所以闹出了解释不清甚至互相矛盾的结论。第二个让他更为苦恼的问题是，他无法把最常见的“万有引力”纳入狭义相对论的框架，因为万有引力在洛伦兹变化下不能保持形式不变性，也就是不能满足相对性原理的洛伦兹协变性要求。简单来说，令爱因斯坦苦恼的是，怎么把惯性系这个特殊限制取消掉，让他发现的理论在加速运动下和引力作用下也成立，来找到和构建一个适用于所有参考系（包括惯性系和非惯性系）的更具有普遍意义的广义相对论。