物理学的研究对象从宏观领域进入原子和电子的微观领域,从低速领域进入到光速和近光速的高速领域,以牛顿力学为基础的经典物理学,才暴露出严重问题.
1.光速是世界上最快的速度,所有的速度只能无限接近光速,而不能超过光速；2.光速是恒定的,永远是30万公里/秒,即使光在通过某些介质时会降低速度,但是一旦通过了该介质,光速不会被降低,而是迅速恢复30万公里/秒；3.时间是相对的,当运动速度足够大,比如在一辆以24万公里/秒奔驰的火车上,乘客手上的表会比在地球上慢；4.长度是相对的,当物体的运动速度变得足够大时,物体会沿运动方向变短.
就像长度和时间一样,一般情况下,物体的质量不因静止或运动而有所变化.一个人在地上站着,质量是50公斤,当他乘上运动的火车,质量还是50公斤.这在低速世界当然是事实的.可是按照相对论的解释,当这个人乘上高速运动的飞船的时候,他的质量却不是50公斤了,而是比50公斤要多.飞船的速度和光速越接近,人的质量变化就越显著.如果飞船速度达到光速,人的质量将变成无限大.当然这是不可能达到的,因为一般物体的速度不可能达到光速.
物体质量的增值与作用于物体的力有密切的关系,而且有一定的比例关系.一切作用于物体的力,以及任何物体能量的增值,都会使物体质量增加.这就是当物体被加热时,其质量就比未加热时大的原因.这也就是当弹簧被压缩时,其质量就增加的原因.但是质量变化同能量变化之间的比例系数是微乎其微的.例如：要使一个物体的质量增加一克,就必须对该物体施加2500万千瓦小时的能量.
这就是在一般物体情况下,物体质量的变化是非常微小的原因,即使是运用最精密的仪器,也无法测量出来.如果将一吨水从零度加热到沸点,其质量大约会增大一百万分之五克.我们设想,在宇宙空间有两个同样大的球体,一个用铅做成,另一个用木做成.现在用同样的力作用于这两个球体,直到将它们的运动速度增加达到接近光速.这时,它的加速度就会越来越小.因为物体运动的速度永远不能超过速度的最高极限,即光速.
一旦物体运动速度接近光速,时间与速度的增加就失去了比例,于是质量就变得与速度息息相关了.由于时间可以无限加长,而速度却不能超越最高极限.由此我们发现,质量随速度的增加而增加,而且当物体运动速度达到光速时,质量就成为无限大.
计算结果表明：运动物体的质量随其长度的缩减而增加.这样,一列爱因斯坦火车在以每秒24万公里的速度运行时,其质量要比它在静止时大10/6倍.
质量与速度之间的关系,是根据相对论的理论推导而出,而不是科学家在现实世界,也就是低速世界观察出来的.要观察和检验它们之间的关系,科学家们对电子的快速运动情况进行了观察实验.
利用现代实验设备,使电子以接近光速的速度运动已是相当普通的事.在加速器中,能将电子运动速度加大到仅仅比光速低每秒30公里.实验结果表明,现代物理学完全能够将处于高速运动中电子的质量同静止电子的质量加以比较.实验也充分表明,质量与物体运动速度息息相关.这也是相对论阐明的客观规律.
例如,当原子核相互碰撞后产生新的原子核的现象.又如,当一个锂原子与一个氢原子相互碰撞,产生两个氦原子.在这一过程中,氦原子的重量比原物质的质量减少四百分之一.
前面已经提到,将一个物体的质量增加一克,须对该物体施加2500万千瓦小时的能量.因此,1克锂和氢转变成氦需要的能量就比上面这个数字小400倍,即62500千瓦小时.
相对论揭示了我们周围世界大量令人惊异的现象,精确而令人信服的大量实验,使我们必须承认相对论的正确性.相对论揭示的大量现象,如果是粗略地观察,往往会被忽视或者不易理解.
相对论决不排斥和否定经典物理学建立起来的观念和理论,而是大大扩展了经典物理学的领域.另一方面,相对论也规定了经典物理学理论和它建立起来的观念适用的范围,从而避免了导致错误的危险.相对论诞生以前,物理学家所发现的自然规律根本没有、也不可能被废弃,相对论只是明确地规定和限制了这些规律适用的范围.
