A.愛因斯坦在1905年發表的題為《論動體的電動力學》一文中提出的新的平直時空理論。這個理論的出發點是兩條基本假設：狹義相對性原理和光速不變原理。理論的核心方程式是洛倫茲變換(見慣性系座標變換)。狹義相對論預言瞭牛頓經典物理學所沒有的一些新效應（相對論效應），如時間膨脹、長度收縮、橫向多普勒效應、質速關係、質能關係等，它們已經獲得大量實驗的直接證明。狹義相對論已經成為現代物理理論論的基礎之一：一切微觀物理理論（如基本粒子理論）和宏觀引力理論（如廣義相對論）都滿足狹義相對論的要求。這些相對論性的動力學理論已經被許多高精度實驗所證實。

　　誕生的歷史背景　1905年以前已經發現一些電磁現象與經典物理概念相抵觸，它們是：①邁克耳孫–莫雷實驗沒有觀測到地球相對於以太的運動。②運動物體的電磁感應現象表現出相對性——是磁體運動還是導體運動其效果一樣。③電子的電荷與慣性質量之比（荷質比）隨電子運動速度的增加而變大。此外，電磁規律（麥克斯韋方程組）在伽利略變換下不是不變的，即是說電磁定律不滿足牛頓力學中的伽利略相對性原理。修改和發展牛頓理論使之能夠圓滿解釋上述新現象成為19世紀末20世紀初的當務之急。以H.A.洛倫茲為代表的許多物理學傢在牛頓力學的框架內通過引入各種假設來對牛頓理論進行修補，最後引導出瞭許多新的與實驗結果相符合的方程式，如時間變慢和長度收縮假說、質速關系式和質能關系式，甚至得到瞭洛倫茲變換。所有這些公式中全都包含瞭真空光速。如果隻為解釋已有的新現象，上述這些公式已經足夠，但這些公式分別來自不同的假說或不同的模型而不是共同出自同一個物理理論。而且，使用牛頓絕對時空觀來對洛倫茲變換以及所含的真空光速進行解釋時卻遇到瞭概念上的困難。這種不協調的狀況預示著舊的物理觀念即將向新的物理觀念的轉變。愛因斯坦洞察到解決這種不協調狀況的關鍵是同時性的定義，而牛頓時空理論（或伽利略變換）中的時間沒有辦法在現實世界中實現。為使用光信號對鐘，愛因斯坦假定瞭單向光速是個常數且與光源的運動無關（光速不變原理）。此外，他又把伽利略相對性原理直接推廣為狹義相對性原理，由此得到瞭洛倫茲變換，繼而建立瞭狹義相對論，其主要內容和結論如下。

　　慣性系和洛倫茲變換　使牛頓力學第一定律（慣性定律）成立的那類參考系稱為慣性系。狹義相對論的公式和結論隻在慣性系中有效。兩個慣性系k和k'之間的坐標變換是洛倫茲變換：

式中 c為光在真空中傳播的速度， v為 k'系相對於 k系的速度。洛倫茲變換是線性變換，把其中的時空坐標換成任意坐標間隔其形式不變。所以，洛倫茲變換中的時空坐標也可當成是任意坐標間隔。這裡 k系和 k'系被選成坐標軸互相平行且在初始時刻兩系統的坐標原點重合，因而這裡給出的變換是無空間轉動的特殊洛倫茲變換。更一般的變換是把 k'系統的坐標軸相對於 k系做一任意的空間轉動，相應的變換稱為一般洛倫茲變換。另外，如果在初始時刻不使兩系統的原點重合，則相應的變換就是在洛倫茲變換中每個公式的右邊各加上一個常數(稱為時空平移)使之成為非齊次的線性變換，它們稱為彭加勒變換。

　　狹義相對性原理　一切物理定律（力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律）在所有慣性系中均有效；或者說，一切物理定律的方程式在洛倫茲變換下保持形式不變。不同年代和季節進行的實驗給出瞭同樣的物理定律，這正是相對性原理的實驗基礎。

　　愛因斯坦速度相加定理　如果洛倫茲變換中的時間坐標和空間坐標描述的是某一物體的運動，則用時間變換式去除3個空間坐標變換式就得到愛因斯坦速度相加公式：

式中( u x ', u y ', u z ')為物體在 k'系中的速度分別沿( x', y', z')軸的分量，( u x, u y, u z)則為 k系中的相應速度分量。愛因斯坦速度相加定理解釋瞭A.H.L.斐索曾於1851年完成的流動水中的光速實驗；1905年之後許多運動流體和運動固體中的光速實驗也都在更高的精度上與愛因斯坦速度相加公式的預言相符。

　　坐標時和固有時　由同一隻標準時鐘記錄的時間(間隔)稱為固有時(間隔)；放在不同地點的兩隻標準時鐘記錄的時間之間的差值稱為坐標時(間隔)。物理時間(指實際直接測量的時間)對應於固有時；而坐標時與同時性定義相關，不是直接的可觀測量。

　　時間膨脹　考慮在k'系中的某一點靜止不動（即空間坐標間隔為零：x'=0,y'=0,z'=0）的一隻標準時鐘，此時洛倫茲變換中的前三個方程給出：x=vt,y=0,z=0，這是時鐘在k系中的運動軌跡，即時鐘以不變速度v沿x軸的正方向運動。洛倫茲變換中的第三個方程給出：

式中 τ'≡ t'是給定時鐘顯示的時間間隔，因而是固有時。由於時鐘的速度 v總是比光速 c小，該式中的根號因子（即收縮因子）小於1，因而 τ'＜ t,即在 k系中看來運動的時鐘走慢瞭。但 t是坐標時，因為它是 k系中兩個不同地點的時鐘記錄的時間之差，所以上面所謂的時間膨脹實際上是說“固有時比坐標時小”。直接的實驗驗證包括飛行 μ子壽命增長和環球飛行原子鐘速率減慢。

　　多普勒效應　光線的頻率和傳播的方向在洛倫茲變換下分別按如下公式變換：

式中 ν和 ν'分別為在 k系和 k'系中測得的光波頻率， θ和 θ'為光線的傳播方向分別與 x軸和 x'軸的正方向之間的夾角。當 θ=90°（即垂直於光線方向）時， 這就是橫向多普勒效應（牛頓經典物理學沒有這種效應）。橫向（或二階）多普勒效應實際上來自時間膨脹效應，它們已被很多實驗直接證實。

　　長度收縮　考慮放在k'系x'軸上的一根長桿，其長度稱為固有長度l0≡x′。但在k系看來，這根桿子是運動的，運動桿子的長度定義為同時（即時間間隔t=0）測量桿子的兩端所獲得的空間坐標間隔。此時，洛倫茲變換給出：l≡x，運動桿子的長度變短瞭(l＜l0)。

　　宇宙線μ子壽命的增長也可用長度收縮的觀點解釋。

　　相對論力學　按照狹義相對性原理，力學定律在洛倫茲變換下保持形式不變。為此，牛頓力學第二定律F=ma應當改寫為：F=dp/dt,式中p=mu為物體的動量，u是速度。相對論力學中，物體的慣性質量分為靜質量m0和相對論質量m，兩者的關系式稱為質速關系：

類似地，物體的能量分為固有能量 E 0和相對論能量（總能量） E。動能 K是總能與固有能量之差： K= E－ E 0。能量與質量之間的關系式簡稱為質能關系，即： E＝ mc 2　　 E 0＝ m 0 c 2 動量、總能量、靜質量可組成下面的不變量（即在洛倫茲變換下保持不變）： p 2 c 2－ E 2＝− m 0 2 c 4 在洛倫茲變換下動量 p如同坐標矢徑 r一樣變換，而能量 E/ c如同時間坐標 ct一樣變換，即： 物理系統在一般洛倫茲變換下的不變性給出軌道角動量和自旋角動量守恒律；在時空平移變換下的不變性給出能量–動量守恒律。

　　荷電粒子的電磁偏轉實驗、回旋加速器的運轉、高速粒子飛行時間的測量、原子光譜精細結構分裂的解釋等都為質速關系提供瞭證據。原子能發電、原子彈和氫彈的實現都以質能關系為理論基礎。

　　極限速度　由質能關系和質速關系可知，如果靜質量不為零的物體以光速c運動，則它的能量為無窮大。也就是說，把這樣的物體加速到光速需要做的功為無窮大，但這是不可能的。因此，通常物體的速度隻能接近而不可能達到真空光速，即光速c是物質的極限速度。

　　光子的靜質量　光子在真空中的速度永遠是c，如果把它當成經典粒子，則由質速關系可知其靜質量必須是零；而且，一切以光速c運動的物質其靜質量也必定是零。在現實世界，通過大量的光學和電磁學的高精度實驗和分析，仍沒有發現光子有靜質量存在。

　　四維時空間隔和物理事件分類　狹義相對論中，一維時間和三維空間構成閔可夫斯基四維平直時空，其度規可取為gμν＝(−1,1,1,1)，任意兩個物理事件的四維間隔的平方寫為：

(Δ s) 2＝－ c 2(Δ t) 2+(Δ x) 2+(Δ y) 2+(Δ z) 2 四維間隔的平方隻有三種類型：(Δ s) 2＜0稱為類時間隔；(Δ s) 2＝0是類光間隔；(Δ s) 2＞0是類空間隔。相應的物理事件分別稱為類時事件、類光事件、類空事件。如果兩個物理事件代表的是某一物質的運動，它們分別是亞光速運動、光速運動、超光速運動。四維間隔在洛倫茲變換下保持不變，因而這三類不同類型的運動不會通過坐標變換而互相轉化。如亞光速運動不可能變為超光速運動；反之亦然。

愛因斯坦關於狹義相對論的著名論文發表在1905年《物理年鑒》

　　超光速與因果律　按照狹義相對論，靜質量為正實數的通常物質其運動速度一定小於光速c，這類物質稱為亞光速物質（或亞光速粒子），它們的全體稱為亞光速世界。狹義相對論也允許超光速世界的存在，其中所有物質的速度都超過光速c，這類物質（或粒子）稱為快子，其靜質量是虛數（其平方小於零）。物理學傢曾經設計過許多實驗，但都沒有發現快子的蹤跡。如果在亞光速世界裡能夠出現快子，就會有違反因果律的現象發生：考慮在某一給定慣性系中的第一點發生瞭第一個物理事件，同時有一個超光速信號把這個信息傳送到第二點而觸發瞭第二個事件，我們說這兩個事件具有因果聯系且滿足因果律：“原因”（第一個事件）在“結果”（第二個事件）之前發生。但按照洛倫茲變換，總能找到另外一些慣性系，在這些慣性系中“結果”（第二個事件）是在“原因”（第一個事件）之前出現的。因此，在狹義相對論中因果律排除瞭超光速信號的存在。

　　托馬斯進動　考慮三個慣性系k、k'、k'',其中k、k'的坐標軸互相平行因而它們之間是無轉動的洛倫茲變換；類似地，k、k''的坐軸也互相平行因而它們之間也是無轉動的洛倫茲變換。但是，k'、k''之間則是有轉動的洛倫茲變換，即k''和k的坐標軸不再互相平行而是存在一個空間轉動，這種轉動稱為維格納轉動（經典物理學中的伽利略變換沒有這類效應）。1927年L.H.托馬斯首先把這種運動學效應應用於電子在原子核電場中作閉合軌道運動的情況，發現電子的磁矩在運動中會產生進動，這種進動後來被稱為托馬斯進動。考慮瞭托馬斯進動之後，原子光譜的精細結構分裂和反常塞曼效應就可同時得到圓滿解釋。托馬斯進動效應還表現在電子和μ子在均勻磁場中做圓周運動時其自旋的進動頻率：

式中（ g−2）因子相應於反常磁矩， e為電荷， m 0為靜質量， B為磁感應強度， c為光速， 是圓周運動的回旋頻率， 稱為膨脹因子。多年來進行的電子和μ子的（ g−2）因子的實驗測量結果與上面的理論預言在極高精度上相符合。