狹義相對論的時空觀，它顛覆了伽利略和牛頓提出的時空觀，也就是說，它顛覆了近300年來更加符合人們日常生活經驗的時空觀。
任何一個時空觀帶來的都不只是我們對時間和空間的認識，同時它還帶來了物理學更加基礎的部分——動力學的改變！
1905年，愛因斯坦還發表了另一篇關於狹義相對論的論文，論文的標題是《物體的慣性同它所含的能量有關嗎》。在這篇論文中，愛因斯坦第一次提出了質量和能量之間的關係。他用薄薄的幾頁紙推導出了他的著名公式，結論是，一個物體的能量等於它的質量乘以光速的平方。由於光速是一個巨大的數字，因此，他的質能等價關係意味着一個物體有着巨大的潛能。
愛因斯坦的質能關係有雙重含義：第一重含義是，當一個物體處於靜止狀態時，它也含有巨大的能量，因為靜止物體的質量並不等於零；第二重含義是，當一個物體運動起來的時候，它的有效質量更大，因為它的能量更大。
在本書中，我們不太適合給出愛因斯坦在1905年對質能關係的推導。但是，在愛因斯坦發現狹義相對論的41年之後，也就是1946年，他發表了一篇題為“質能等價關係的一個簡單推導”的論文。
愛因斯坦的新推導確實足夠簡單，簡單到我們可以在這裡口頭複述，簡單到直到今天也沒有一個比它更簡單的推導了。
那麼，看看愛因斯坦是怎麼做的呢？這個推導是一個思想實驗，也就是說，不用到實驗室里做實驗，假想一下就可以了。我們知道，任何物體都會吸收光，將一個靜止物體放在水平的桌面上，然後讓這個物體的兩個側面分別接收來自方向相反的兩束光。假設這兩束光所含的能量相等，根據麥克斯韋的理論，這兩束光也含有動量，但它們的動量大小相等、方向相反。
因此，根據能量守恆定律，當靜止物體吸收了兩束光之後，它的能量明顯增加了，但依然保持靜止，這是因為兩束光的動量加起來等於零，在這裡我們假設動量也是守恆的。
但這個事實還不足以讓我們推導出質能等價關係。接着，更重要的一步來了。假想我們在另一個參考系中，且這個參考系運動的方向是垂直於桌面的。在這個參考系中，我們看到了什麼呢？首先，放在桌面上的那個物體有一個垂直於桌面的速度；其次，物體吸收的兩束光的運動方向不再平行於桌面，它們在垂直於桌面的方向上也有一個速度。換句話說，在這個新的參考系裡，兩束光的動量不能相互抵消。因此，吸收兩束光後的物體動量必須增加——當然，我們這裡依然假設動量是守恆的。
但是，在運動的參考系中，那個物體在吸收光之前和之後的速度沒有變化，因為它一直是放在桌子上的。這個物體的能量和動量都增加了，但速度沒有變化，這說明了什麼呢？只能說它的有效質量變大了。愛因斯坦推導出，增加的能量和增加的質量是成正比的，這個正比係數就是光速的平方。為什麼光速會出現呢？因為在推導過程中我們用了兩束光。
不用說，後面的故事我們都知道了，愛因斯坦的質能關係徹底改變了世界，因為後來的物理學發展的確證實了質能關係，特別是核電站和核彈的出現。
在講量子力學時，我們知道，普朗克是第一個提出光量子的人，他說，一個光量子的能量與光的頻率成正比。後來，愛因斯坦將普朗克的公式推廣到了光子的動量上。有意思的是，1905年，當愛因斯坦將他關於相對論的論文投稿到德國物理學刊物《物理年鑒》時，推薦這篇論文的正是普朗克本人。1907年，普朗克還給出了質能關係的一個新的形式。
愛因斯坦的第一篇關於狹義相對論的論文非常有特色，不僅邏輯上乾淨利落，而且不同於其他論文，愛因斯坦在這篇論文中未引用任何文獻，只是感謝了與他的朋友貝索的討論。
接下來，我們談談運動物體的質能關係。在上堂課中談到，在狹義相對論中，運動的尺子會縮短，運動的時鐘會變慢。當運動的尺子的速度接近光速的時候，尺子會變得無限短。同樣，當運動的時鐘的速度接近光速的時候，時鐘會變得無限慢。那麼，運動的物體的能量和速度有什麼關係呢？質能關係告訴我們，當運動物體的速度接近光速的時候，能量會變得無限大。這與牛頓力學告訴我們的完全不一樣。當然，如果運動物體的速度比光速小很多，運動物體的能量除了靜止能之外，它的動能就很接近牛頓力學中的動能了。
因此，當我們給物體加速的時候，物體越接近光速，需要的能量就越大，而當物體被加速到光速的時候，就需要無限大的能量。這也是在相對論中一個物體的速度無法越過光速的原因。
接下來談談狹義相對論的驗證和用處。先談時間變慢效應。在宇宙中，除了組成分子和原子的電子和原子核，還有很多粒子，這些就是基本粒子，因為它們像電子和原子核一樣，都非常小。在地球外存在的基本粒子，最早被發現的叫繆子，繆是一個希臘字母的發音。這個粒子非常像電子，只是它比電子重了大約200倍。它與電子的另外一個不同之處是，它的壽命非常短，只有五十萬分之一秒。接下來，我們就可以驗證相對論了。因為五十萬分之一秒是繆子靜止不動時的壽命，所以讓它以接近光速的速度運動，它的壽命就會變長。運動起來的時鐘會變慢，看上去就像慢動作，因此，一個粒子的壽命也是以“慢動作”來展示的。
假如我們想將繆子的壽命變成1秒，讓我們能夠看到它，它的速度需要多大呢？繆子的速度需要比光速每秒只慢3/5毫米。想想看，光的速度是每秒30萬千米，這個差別實在太小了。快速奔跑的繆子可以存活1秒，那麼，繆子大約跑30萬千米，儀器就可以很容易地看到它了。
相對論還意味着，每一個基本粒子都有它的反粒子。狄拉克是第一個用相對論預言反粒子存在的人。在試圖將量子力學和相對論結合起來的時候，狄拉克發現，世界上必須存在一種電荷與電子相反、質量與電子一樣的粒子。因為這種粒子的性質和電子相反，所以被稱為電子的反粒子，這種粒子叫正電子，因為它帶正電荷。
當然，狄拉克預言這個粒子的時候，有一個有趣的過程。開始的時候，他說，電子必須有一個反粒子，電荷與它相反，質量與它一樣，如果電子遇到這個反粒子，災難就會發生，它們相互集合在一起後就會消失，成為光子。這個過程有點像自殺，所以物理學家將這種過程稱為湮滅。可是，過了一段時間，並沒有人發現正電子，於是，狄拉克有點急了，就想修改自己的理論，說電子的反粒子應該是質子，也就是氫原子核。質子正好帶正電荷，可是它的質量比電子大了差不多2000倍。4年後，也就是1932年，實驗物理學家安德森在宇宙射線中發現了正電子。
不過，狄拉克的預言方式太過抽象。美國物理學家費曼給出了一個簡單的解釋。費曼說，粒子可以在逆着時間的方向上走，因為相對論允許粒子這麼走。費曼認為，逆着時間走的電子其實就是正電子。既然任何粒子都可以逆着時間走，那麼任何粒子都有反粒子。你看，我們其實並不需要懂得狄拉克的抽象方法，也能理解反物質的存在。
有了粒子和它的反粒子，我們就可以直接看到質能關係的作用。粒子和反粒子撞到一起是毀滅性的，它們會彼此湮滅成為光，也就是質量變成了能量，粒子和反粒子的質量變成了光的能量。其實，所有的核電站也正在驗證愛因斯坦的質能關係，當一個比較大的原子核裂變成了一些小的原子核，小的原子核的總質量比大原子核小了，大原子核多餘的質量就變成能量釋放出來了。大亞灣核電站就是利用核裂變製造出了源源不斷的能量。
狹義相對論不僅在粒子物理中很重要，在天體物理中也很重要。大量的高能天體物理現象的解釋都離不開狹義相對論。愛因斯坦的狹義相對論不僅改變了我們的時空觀，也徹底改變了力學世界。一個物體含有巨大的潛在能量，它的能量等於其質量乘以光速的平方。這個簡單的關係是核電站、粒子物理及天體物理的研究基礎。
