狭义相对论的时空观，它颠覆了伽利略和牛顿提出的时空观，也就是说，它颠覆了近300年来更加符合人们日常生活经验的时空观。
任何一个时空观带来的都不只是我们对时间和空间的认识，同时它还带来了物理学更加基础的部分——动力学的改变！
1905年，爱因斯坦还发表了另一篇关于狭义相对论的论文，论文的标题是《物体的惯性同它所含的能量有关吗》。在这篇论文中，爱因斯坦第一次提出了质量和能量之间的关系。他用薄薄的几页纸推导出了他的著名公式，结论是，一个物体的能量等于它的质量乘以光速的平方。由于光速是一个巨大的数字，因此，他的质能等价关系意味着一个物体有着巨大的潜能。
爱因斯坦的质能关系有双重含义：第一重含义是，当一个物体处于静止状态时，它也含有巨大的能量，因为静止物体的质量并不等于零；第二重含义是，当一个物体运动起来的时候，它的有效质量更大，因为它的能量更大。
在本书中，我们不太适合给出爱因斯坦在1905年对质能关系的推导。但是，在爱因斯坦发现狭义相对论的41年之后，也就是1946年，他发表了一篇题为“质能等价关系的一个简单推导”的论文。
爱因斯坦的新推导确实足够简单，简单到我们可以在这里口头复述，简单到直到今天也没有一个比它更简单的推导了。
那么，看看爱因斯坦是怎么做的呢？这个推导是一个思想实验，也就是说，不用到实验室里做实验，假想一下就可以了。我们知道，任何物体都会吸收光，将一个静止物体放在水平的桌面上，然后让这个物体的两个侧面分别接收来自方向相反的两束光。假设这两束光所含的能量相等，根据麦克斯韦的理论，这两束光也含有动量，但它们的动量大小相等、方向相反。
因此，根据能量守恒定律，当静止物体吸收了两束光之后，它的能量明显增加了，但依然保持静止，这是因为两束光的动量加起来等于零，在这里我们假设动量也是守恒的。
但这个事实还不足以让我们推导出质能等价关系。接着，更重要的一步来了。假想我们在另一个参考系中，且这个参考系运动的方向是垂直于桌面的。在这个参考系中，我们看到了什么呢？首先，放在桌面上的那个物体有一个垂直于桌面的速度；其次，物体吸收的两束光的运动方向不再平行于桌面，它们在垂直于桌面的方向上也有一个速度。换句话说，在这个新的参考系里，两束光的动量不能相互抵消。因此，吸收两束光后的物体动量必须增加——当然，我们这里依然假设动量是守恒的。
但是，在运动的参考系中，那个物体在吸收光之前和之后的速度没有变化，因为它一直是放在桌子上的。这个物体的能量和动量都增加了，但速度没有变化，这说明了什么呢？只能说它的有效质量变大了。爱因斯坦推导出，增加的能量和增加的质量是成正比的，这个正比系数就是光速的平方。为什么光速会出现呢？因为在推导过程中我们用了两束光。
不用说，后面的故事我们都知道了，爱因斯坦的质能关系彻底改变了世界，因为后来的物理学发展的确证实了质能关系，特别是核电站和核弹的出现。
在讲量子力学时，我们知道，普朗克是第一个提出光量子的人，他说，一个光量子的能量与光的频率成正比。后来，爱因斯坦将普朗克的公式推广到了光子的动量上。有意思的是，1905年，当爱因斯坦将他关于相对论的论文投稿到德国物理学刊物《物理年鉴》时，推荐这篇论文的正是普朗克本人。1907年，普朗克还给出了质能关系的一个新的形式。
爱因斯坦的第一篇关于狭义相对论的论文非常有特色，不仅逻辑上干净利落，而且不同于其他论文，爱因斯坦在这篇论文中未引用任何文献，只是感谢了与他的朋友贝索的讨论。
接下来，我们谈谈运动物体的质能关系。在上堂课中谈到，在狭义相对论中，运动的尺子会缩短，运动的时钟会变慢。当运动的尺子的速度接近光速的时候，尺子会变得无限短。同样，当运动的时钟的速度接近光速的时候，时钟会变得无限慢。那么，运动的物体的能量和速度有什么关系呢？质能关系告诉我们，当运动物体的速度接近光速的时候，能量会变得无限大。这与牛顿力学告诉我们的完全不一样。当然，如果运动物体的速度比光速小很多，运动物体的能量除了静止能之外，它的动能就很接近牛顿力学中的动能了。
因此，当我们给物体加速的时候，物体越接近光速，需要的能量就越大，而当物体被加速到光速的时候，就需要无限大的能量。这也是在相对论中一个物体的速度无法越过光速的原因。
接下来谈谈狭义相对论的验证和用处。先谈时间变慢效应。在宇宙中，除了组成分子和原子的电子和原子核，还有很多粒子，这些就是基本粒子，因为它们像电子和原子核一样，都非常小。在地球外存在的基本粒子，最早被发现的叫缪子，缪是一个希腊字母的发音。这个粒子非常像电子，只是它比电子重了大约200倍。它与电子的另外一个不同之处是，它的寿命非常短，只有五十万分之一秒。接下来，我们就可以验证相对论了。因为五十万分之一秒是缪子静止不动时的寿命，所以让它以接近光速的速度运动，它的寿命就会变长。运动起来的时钟会变慢，看上去就像慢动作，因此，一个粒子的寿命也是以“慢动作”来展示的。
假如我们想将缪子的寿命变成1秒，让我们能够看到它，它的速度需要多大呢？缪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30万千米，这个差别实在太小了。快速奔跑的缪子可以存活1秒，那么，缪子大约跑30万千米，仪器就可以很容易地看到它了。
相对论还意味着，每一个基本粒子都有它的反粒子。狄拉克是第一个用相对论预言反粒子存在的人。在试图将量子力学和相对论结合起来的时候，狄拉克发现，世界上必须存在一种电荷与电子相反、质量与电子一样的粒子。因为这种粒子的性质和电子相反，所以被称为电子的反粒子，这种粒子叫正电子，因为它带正电荷。
当然，狄拉克预言这个粒子的时候，有一个有趣的过程。开始的时候，他说，电子必须有一个反粒子，电荷与它相反，质量与它一样，如果电子遇到这个反粒子，灾难就会发生，它们相互集合在一起后就会消失，成为光子。这个过程有点像自杀，所以物理学家将这种过程称为湮灭。可是，过了一段时间，并没有人发现正电子，于是，狄拉克有点急了，就想修改自己的理论，说电子的反粒子应该是质子，也就是氢原子核。质子正好带正电荷，可是它的质量比电子大了差不多2000倍。4年后，也就是1932年，实验物理学家安德森在宇宙射线中发现了正电子。
不过，狄拉克的预言方式太过抽象。美国物理学家费曼给出了一个简单的解释。费曼说，粒子可以在逆着时间的方向上走，因为相对论允许粒子这么走。费曼认为，逆着时间走的电子其实就是正电子。既然任何粒子都可以逆着时间走，那么任何粒子都有反粒子。你看，我们其实并不需要懂得狄拉克的抽象方法，也能理解反物质的存在。
有了粒子和它的反粒子，我们就可以直接看到质能关系的作用。粒子和反粒子撞到一起是毁灭性的，它们会彼此湮灭成为光，也就是质量变成了能量，粒子和反粒子的质量变成了光的能量。其实，所有的核电站也正在验证爱因斯坦的质能关系，当一个比较大的原子核裂变成了一些小的原子核，小的原子核的总质量比大原子核小了，大原子核多余的质量就变成能量释放出来了。大亚湾核电站就是利用核裂变制造出了源源不断的能量。
狭义相对论不仅在粒子物理中很重要，在天体物理中也很重要。大量的高能天体物理现象的解释都离不开狭义相对论。爱因斯坦的狭义相对论不仅改变了我们的时空观，也彻底改变了力学世界。一个物体含有巨大的潜在能量，它的能量等于其质量乘以光速的平方。这个简单的关系是核电站、粒子物理及天体物理的研究基础。
