在认识物质的微观结构的同时，人们并没有停止对宏观世界的观察和理解。20世纪初爱因斯坦从所有的物理规律（包括光在真空中以不变的速度传播）对任意人为选取的时间和空间参考坐标系都应该适用的基本思想出发，也就是说客观的物理规律是不随运动观察者的观察视角而改变的。狭义相对论对于传统的时空观的改变是革命性的，所以对狭义相对论的理解的最大困难就在于对传统时空观的改变。因为长期以来，人们在观察物理过程习惯使用的坐标系是以静止的地面为基础的，虽然我们早就知道“坐地日行八万里”，和地面实际上是一个大球面的事实。

在传统物理学中，所有的力学定理都是针对一个假想的三维空间来表述的，包括地球以外的星星的运动的描述都是在这个假想的、唯一的三维空间中。时间也是物理学中描述运动过程的一个重要的尺度，整个宇宙的发展的绝对尺度——绝对的时间坐标是传统物理学的基础之一。然而，爱因斯坦的狭义相对论为我们说明了另外一种物理事实：如果我们选择不同的相对运动的参照坐标系来观察物理过程，比如站在地面的观察者以地面为参照坐标系，而在运动的车厢中的观察者以车厢地面为参照坐标系，因为对这两位观察者来看光速都是30万公里/秒，所有物理定理都一样。那么，对于不同的参照坐标系来比较，它们的坐标长度就不相同了，它们的钟表时间也就不相同了。针对彼此作相对匀速运动的伽利略坐标系（即牛顿力学中所定义的惯性定理坐标系）之间的运动情况的分析，爱因斯坦通过天才的数学推导得出狭义相对论定理。

狭义相对论说明了在惯性系统中，时间和空间的度量是会随着所选取的不同的参考坐标系而变化，也就是在常识看来永远不变的绝对时间和绝对空间实际上是不存在的。其时间和空间的度量变化的计算关系，是并不复杂的公式：

                      ，

从数学计算关系来看，爱因斯坦的相对论用洛伦兹变换代替了牛顿惯性系统中的伽利略变换，从而推导出上面的时空变换关系式。当然，真正在具体实验中的计算不会这么简单，因为在具体实验的宇宙环境中，有复杂得多的情况。但是在很多情况下，上述的计算结果就是具体实验结果的精度非常高的近似值。也就是说，除少数极端情况外，一些次要因素的影响往往是非常小的。

那么为什么在人们的一般经验中没有体会到这种情况呢？那是因为对于人们一般观察的物理过程的运动速度相对于光速太小，这个变化小到难以觉察和测量。而当物体的运动速度很大（与光速相比较），运动时间很长久的情况下，这个时空的变化就显现出来了。的确，人们已经通过实验观测到在高速粒子的寿命，长期高速飞行的时钟等物理过程中时空的变化，证明了相对论的正确性。

从狭义相对论物理学家得出了另外一个重要结论：E=m·c2。通过这个公式说明物质的质量和它所包含的能量是可以互相转换的，这个转换系数为光速的平方，这是一个很大的数值。在我的印象中，传统物质理论有物质不灭定理，它的验证实验是在一个密封的容器内燃烧物质，再测量它的质量（其实是通过测量它的重量）发现没有变化，说明燃烧后物质变化了，但是质量不变。所以得出物质既不能创造，也不能被消灭的结论。

其实，根据现代物理学理论，在上面的实验过程中，因为有燃烧的光和热发出，其实是有质量的减少的，只不过因为这个能量的值不大，所以质量的减少值是非常非常小的，以至于无法测量出来。而在一些有巨大能量产生的物理过程中，如热核反应中，就可以发现这个质量的减少。更加明显地证明物质的质量和能量转换的物理过程是正物质和反物质的湮灭反应，物质消失了，只得到光和大量的能量。当然这个物理过程在一般的环境下是很难看到的，但是在广阔的宇宙中是可以观察到的，同时人类也已经在某些实验过程中观察到了。这些进一步说明了相对论的正确。

其实人们早就认识到物质的另外一种形式——场，如电场、磁场、引力场等。对这类物质的描述是用它们的能量（强度），因为这些场形式的物质人类一般是不能直接感觉到的，我们只能够通过它们与有一定的体积、重量的物体之间的作用来知道场形式的物质的存在。通过相对论的物质的质量和能量的转化公式，我们了解到一般的有一定的体积、重量的物质可以用它的质量来描述它，也可以用它具有的能量来描述它；而场形式的物质可以用它们的能量来描述它，也可以用它相当的质量的物质来描述它。

当然质量在什么情况下可以转化为能量，而能量场在什么情况下可以产生质量物质，相对论并没有进一步说明。比如对一个电子，从现代物理学的认识我们可以认为它的主要能量（质量）集中在电子的体积空间内，而它周围的电场可以看作是电子质量的外延，当然这些质量是非常小的。而从能量的角度来看，电子的能量主要集中在它的体积中心的小球内，而离中心较远的地方能量就很小了。

那么，我们是不是可以把有形的物质都看成能量的聚集呢？根据量子力学理论，构成物质的微粒就是处于一种微粒和波动的运动状态下，它们具体的运动特性只能够用统计数据来说明。这种把物质看成能量的分布表现的观点是否可以是对物质的本质的进一步认识呢？而大量的物质微粒构成物体的时候，由于微粒运动概率的聚合，物体就表现出来有比较固定的体积和位置、质量等物理特性。当然从微观来看物体的表面和内部，仍然是具有波粒二象性的微粒。这种认识对物体的一些特性，如物体的表面特性；超导特性等可以进行比较深入、正确的说明。

所以现代物理学理论使我们对物质的特性有更加深刻的认识。根据相对论的物质的质量和能量的关系，当我们观察一个运动着的物体时，它的惯性质量是随着它的运动速度的增加而增加的：

  ，其中 m^‘为运动速度为 v 的物体的惯性质量，

而m为运动物体的静止质量（运动速度为0时的质量）。所以当静止质量不为零的物体运动速度接近光速时，它的惯性质量会趋于无穷大。也就是说静止质量不为零的物体运动速度永远不会达到光速，而只有静止质量为零的场态物质的运动速度可以达到光速。

当然，以后随着科学的发展，是不是可以发现有超过光速的情况，比如由于空间的卷曲，或者时间的隧道作用等等情况下物质的运动超过正常的光线的运动？这些问题目前还没有一种比较好的答案。但是在广大的宇宙空间中，可能除了少数目前还没有被认识到的极端的情况外，相对论所说明的物质运动的这些特性是完全正确的。狭义相对论关于时空的描述使我们对物质特性（质量、能量、速度等）的认识从地面环境下的传统物理对物体运动（以牛顿力学为代表的）的认识，扩展到人们不容易直接观察的广大宇宙空间中的物质运动特性的认识。因为，只有在广大宇宙空间中的物质运动的速度才可以达到与光速相比的速度。当然目前人类也可以在一些地面实验环境下来观察高速运动的物质。

相对论对物质的质量和能量的描述正确性最直接的例证是：科学家发现当原子核被打开时，在物质的质量发生变化时就会有巨大的能量释放出来，这就是现在人们都知道的原子能，它已经被人类驯服为人类提供电力等能量的工作。当然，如何用人工的方法打开原子核，或者通过聚合原子核把质量转换为能量这是个技术问题，在这些过程中都会有部分物质的质量转化成为能量（这个能量的数值是质量乘以光速平方这个巨大的系数后的值）。人类已经掌握的最直接的质量转化为能量的技术就是制造原子弹和氢弹，它们所产生的巨大能量除了在战争中产生破坏作用以外很难被人类利用。而可控制地让物质释放出的能量才能被人类合理地使用。目前人类已经能够控制一些原子能，如铀元素的分裂所释放的原子能，并且已经可以成功地用来为人类服务。而更加巨大的氢原子的聚合原子能的控制技术，目前还正在研究之中。

所以，相对论的理论不仅为我们认识世界起到了很深刻的意义，而且可以说也为人类根本解决能源问题指出了一条光明的道路。物质中隐含着巨大的能量，只要找到相关的应用技术来加以利用。特别是狭义相对论对物质的质量和能量这两个基本特性的关系的论述，把传统物理学中对物质的质量和能量分别描述的质量守衡定理和能量守衡定理统一成为更加根本地描述物质基本特性的质——能守衡定理。这个质——能守衡定理对于我们进一步了解物质的来源有着根本的意义。