Thuyết tương đối hẹp, được Albert Einstein công bố năm 1905, là một cột mốc quan trọng trong vật lý học, làm thay đổi hoàn toàn quan niệm cổ điển về không gian và thời gian. Thuyết này dựa trên hai tiên đề cốt lõi: (1) Các định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều) và (2) Vận tốc ánh sáng trong chân không là một hằng số, không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng. Từ hai tiên đề đơn giản này, những hệ quả sâu sắc và đôi khi phi trực giác đã được rút ra.

Một trong những hệ quả quan trọng nhất là sự tương đối của thời gian. Thời gian không còn là một đại lượng tuyệt đối mà phụ thuộc vào vận tốc của hệ quy chiếu. Công thức thể hiện sự giãn nở thời gian là:

Trong đó:

Δt' là khoảng thời gian đo được trong hệ quy chiếu chuyển động.

Δt là khoảng thời gian đo được trong hệ quy chiếu đứng yên.

γ = 1 / √(1 - v²/c²) là hệ số Lorentz, với v là vận tốc tương đối giữa hai hệ quy chiếu và c là vận tốc ánh sáng.

Ví dụ: Nếu một phi hành gia bay với vận tốc bằng 86.6% vận tốc ánh sáng (v = 0.866c), thì γ ≈ 2. Điều này có nghĩa là một giờ trôi qua trên tàu vũ trụ của phi hành gia tương ứng với hai giờ trôi qua trên Trái Đất.

Một hệ quả khác là sự co ngắn chiều dài. Chiều dài của một vật thể cũng bị rút ngắn theo phương chuyển động khi quan sát từ một hệ quy chiếu khác. Công thức biểu diễn sự co ngắn chiều dài là:

Trong đó:

L' là chiều dài đo được trong hệ quy chiếu chuyển động.L là chiều dài đo được trong hệ quy chiếu đứng yên.

Ví dụ: Một con tàu vũ trụ dài 100 mét di chuyển với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng (v = 0.995c, γ ≈ 10) sẽ chỉ còn dài khoảng 10 mét khi quan sát từ Trái Đất.

Thuyết tương đối hẹp cũng đưa ra mối liên hệ nổi tiếng giữa khối lượng và năng lượng, được biểu diễn qua công thức:

Công thức này cho thấy năng lượng (E) và khối lượng (m) là hai mặt của cùng một thực thể và có thể chuyển đổi lẫn nhau. c² là một hằng số tỷ lệ rất lớn, giải thích tại sao ngay cả một lượng nhỏ khối lượng cũng có thể tương đương với một lượng năng lượng khổng lồ, như trong các phản ứng hạt nhân.

Những khái niệm này dẫn đến một câu hỏi gợi mở: liệu chúng ta có thể du hành vượt qua vận tốc ánh sáng? Nếu có, điều gì sẽ xảy ra với thời gian và không gian?