第5章
這個被称之为相对论的基本假设是，不管观察者以任何速度作自由运动，相对于他们而言，科学定律都应该是一样的。這对牛顿的运动定律当然是对的，但是现在這個观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速：不管观察者运动多快，他们应测量到一样的光速。這简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫過于质量和能量的等价，這可用爱因斯坦著名的方程e＝mc2来表达（這儿e是能量，m是质量，c是光速），以及沒有任何东西能运动得比光還快的定律。由于能量和质量的等价，物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之，要加速它将变得更为困难。這個效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如，以10％光速运动的物体的质量只比原先增加了％，而以90％光速运动的物体，其质量变得比正常质量的两倍還多。当一個物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而由质量能量等价原理，這就需要无限大的能量才能做到。由于這個原因，相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他沒有内禀质量的波才能以光速运动。
相对论的一個同等卓越的成果是，它变革了我們对空间和時間的观念。在牛顿理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（由于時間是绝对的）不同的观测者对這個過程所花的時間不会有异议，但是他们不会在光走過的距离這一点上取得一致的意见（因为空间不是绝对的）。由于光速等于這距离除以所花的時間，不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面，在相对论中，所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而，他们在光走過多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少時間上也不会取得一致意见。（无论如何，光所花的時間正是用光速——這一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——這一点对他们来說是不一致的。）总之，相对论终结了绝对時間的观念！這样，每個观察者都有以自己所携带的钟测量的時間，而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。
图時間用垂直坐标测量，离开观察者的距离用水平坐标测量。观察者在空间和時間裡的途径用左边的垂线表示。到事件去和从事件来的光线的途径用对角线表示。
每個观察者都可以用雷达去发出光脉冲或无线电波来测定一個事件在何处何时发生。脉冲的一部分由事件反射回来后，观察者可在他接收到回波时测量時間。事件的時間可认为是发出脉冲和脉冲反射回来被接收的两個时刻的中点；而事件的距离可取這来回過程時間的一半乘以光速。（在這意义上，一個事件是发生在指定空间的一点以及指定時間的一点的某件事。）這個意思已显示在图上。這是时空图的一個例子。利用這個步骤，作相互运动的观察者对同一事件可赋予不同的時間和位置。沒有一個特别的观察者的测量比任何其他人更正确，但所有這些测量都是相关的。只要一個观察者知道其他人的相对速度，他就能准确算出其他人该赋予同一事件的時間和位置。
现在我們正是用這种方法来准确地测量距离，因为我們可以比测量长度更为准确地测量時間。实际上，米是被定义为光在以铂原子钟测量的秒内走過的距离（取這個特别的数字的原因是，因为它对应于歷史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两個刻度之间的距离）。同样，我們可以用叫做光秒的更方便更新的长度单位，這就是简单地定义为光在一秒走過的距离。现在，我們在相对论中按照時間和光速来定义距离，這样每個观察者都自动地测量出同样的光速（按照定义为每0.000000003335640952秒之1米）。沒有必要引入以太的观念，正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样，以太的存在是无论如何检测不到的。然而，相对论迫使我們从根本上改变了对時間和空间的观念。我們必须接受的观念是：時間不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体。
我們通常的经验是可以用三個数或座标去描述空间中的一点的位置。譬如，人们可以說屋子裡的一点是离开一堵墙7英尺（1英尺=米），离开另一堵墙3英尺（1英尺=米），并且比地面高5英尺（1英尺=米）。人们也可以用一定的纬度、经度和海拔来指定该点。人们可以自由地选用任何三個合适的坐标，虽然它们只在有限的范围内有效。人们不是按照在伦敦皮卡迪裡圆环以北和以西多少英裡（1英裡=公裡）以及高于海平面多少英尺（1英尺=米）来指明月亮的位置，而是用离开太阳、离开行星轨道面的距离以及月亮与太阳的连线和太阳与临近的一個恒星——例如α-半人马座——连线之夹角来描述之。甚至這些座标对于描写太阳在我們星系中的位置，或我們星系在局部星系群中的位置也沒有太多用处。事实上，人们可以用一族互相交迭的坐标碎片来描写整個宇宙。在每一碎片中，人们可用不同的三個座标的集合来指明点的位置。
图离开太阳的距离（以1012英裡，1英裡=公裡，为单位）
一個事件是发生于特定时刻和空间中特定的一点的某种东西。這样，人们可以用四個数或座标来确定它，并且座标系的選擇是任意的；人们可以用任何定义好的空间座标和一個任意的時間测量。在相对论中，時間和空间座标沒有真正的差别，犹如任何两個空间座标沒有真正的差别一样。譬如可以選擇一族新的座标，使得第一個空间座标是旧的第一和第二空间座标的组合。例如，测量地球上一点位置不用在伦敦皮卡迪裡圆环以北和以西的裡数，而是用在它的东北和西北的裡数（1英裡=公裡）。类似地，人们在相对论中可以用新的時間座标，它是旧的時間（以秒作单位）加上往北离开皮卡迪裡的距离（以光秒为单位）。
图
将一個事件的四座标作为在所谓的时空的四维空间中指定其位置的手段经常是有助的。对我来說，摹想三维空间已经足够困难！然而很容易画出二维空间图，例如地球的表面。（地球的表面是两维的，因为它上面的点的位置可以用两個座标，例如纬度和经度来确定。）通常我将使用二维图，向上增加的方向是時間，水平方向是其中的一個空间座标。不管另外两個空间座标，或者有时用透视法将其中一個表示出来。（這些被称为时空图，如图所示。）例如，在图中時間是向上的，并以年作单位，而沿着从太阳到α-半人马座连线的距离在水平方向上以英哩来测量。太阳和α-半人马座通過时空的途径是由图中的左边和右边的垂直线来表示。从太阳发出的光线沿着对角线走，并且要花4年的時間才能从太阳走到α-半人马座。
正如我們已经看到的，麦克斯韦方程预言，不管光源的速度如何，光速应该是一样的，這已被精密的测量所证实。這样，如果有一個光脉冲从一特定的空间的点在一特定的时刻发出，在時間的进程中，它就会以光球面的形式发散开来，而光球面的形状和大小与源的速度无关。在100万分之1秒后，光就散开成一個半径为300米的球面；100万分之2秒后，半径变成600米；等等。這正如同将一块石头扔到池塘裡，水表面的涟漪向四周散开一样，涟漪以圆周的形式散开并越变越大。如果将三维模型设想为包括二维的池塘水面和一维時間，這些扩大的水波的圆圈就画出一個圆锥，其顶点即为石头击到水面的地方和時間（图）。类似地，从一個事件散开的光在四维的时空裡形成了一個三维的圆锥，這個圆锥称为事件的未来光锥。以同样的方法可以画出另一個称之为過去光锥的圆锥，它表示所有可以用一光脉冲传播到该事件的事件的集合（图）。
图
对于给定的事件p，人们可以将宇宙中的其他事件分成三类。从事件p出发由一個粒子或者波以等于或小于光速的速度运动能到达的那些事件称为属于p的未来。它们处于从事件p发射的膨胀的光球面之内或之上。這样，在时空图中它们处于p的未来光锥的裡面或上面。因为沒有任何东西比光走得更快，所以在p所发生的东西只能影响p的未来的事件。
类似地，p的過去可被定义为下述的所有事件的集合，从這些事件可以等于或小于光速的速度运动到达事件p。這样，它就是能影响发生在p的东西的所有事件的集合。不处于p的未来或過去的事件被称之为处于p的他处（图）。在這种事件处所发生的东西既不能影响发生在p的东西，也不受发生在p的东西的影响。
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