如果你处在“静止”参照系，一个被置于运动着的参照系有刻度的棍子（如标尺等）在你看来似乎也会产生长度收缩。你会觉得这个棍子的长度比坐在运动的参照系中的你的朋友量的要短一些。奇怪的事是，你的朋友完全不认为他在运动当中，反而认为相对于他来说你正在运动着而他自己是静止的。在他看来，在你的参照系中的棍子比在他那儿的要短。对于你们俩来说，两个人都是对的。你和你的朋友都没有一个特殊的参照系，或换句话说，都没有更优先的看世界的视角：每一个事物都是相对的。
同样的道理，在运动参照系中的时钟比静止参照系中走得慢，这就是所谓的时间膨胀。具体而言，位于你朋友所在的运动着的参照系中的钟表走得比静止状态的你的钟表要慢；但相对地，在运动参照系中的朋友也会发现，他是静止的而你是运动的，你的钟表比他的钟表走的要慢。类似地，在物理学里，这就是时间膨胀现象所面临的著名的“孪生儿佯谬”：把一对刚出生的一男一女孪生婴儿分开，若其中那个女婴被人以速度Ｖ从男婴身边带走，然后以同样速度带回来让他们俩重新在一起。那么运动的女婴比待在家里的男婴年幼一些吗？为了证明这个预言的真伪，科学家用计时非常精确的原子钟做时间膨胀的实验。他们把一个原子钟放在实验室里，另一个放在一架高速飞驰在跑道上的飞机上，然后再把这两个原子钟的计时进行比较，令人惊讶的是，放在飞机上的原子钟确实比放在实验室的走时慢一些！这个实验结果使得这个理论有点自相矛盾，因为根据狭义相对论，两个小孩的年龄应该是没有区别的。相对于其中留在产床上的男婴，他的孪生姐妹以速度Ｖ离去又回来，同样，另外在那个女婴来说，男婴也是以同样的速度离开然后又回来。在这种情况下，两个小孩时钟的读数应该是完全一样的；在原子钟的实验中，被置于实验室的原子钟和飞机上的原子钟也应该走时完全一样才对，但实际结果显示并非如此，那么狭义相对论确实存在自相矛盾吗？回答是否定的，因为必须注意狭义相对论成立的一个前提条件，即它所描述的是恒定的速度下发生的情况。而不论是把小孩从孪生男孩身边抱走还是飞机携带另一个原子钟运动都不是恒定速度的运动，其过程必然有加速和减速运动存在。因此，这两种情况并不包含在狭义相对论里，佯谬的质疑并不成立。
长度收缩和时间膨胀现象均已被当代科技水平下高精度的实验所证实。实验室里放射性粒子经过一段时间将衰变湮灭，其“半衰期”和作为“母体”放射性粒子是可以被测定的，而“子粒子”（即原始粒子衰变的产物）数量也是可以计数的。如果相对于实验室，粒子随着光束一起运动，时间膨胀也将发生在追随光速的粒子上。这就意味着该粒子能够走得更远，比处于静止参照系中的我们活得还长。这便是证明奇异的时间膨胀和长度收缩的实验所展示给我们的图景。
爱因斯坦声称如果一束光线在一个以速度Ｖ后退的参照系中射出会显得比在静止参照系中光源射出的光线更红一点，这便是相对论中以19世纪荷兰物理学家克里斯汀·多普勒命名的“多普勒位移”，他首先发现并揭示从运动的物体上发出的声音如何改变频率。关于这个现象的典型例子是当一辆鸣笛的警车快速超过你时，你会感觉警笛的音调会突然减弱。爱因斯坦预测，当光线从一个接近光速的物体上射出时也会发生类似的频率位移现象。
爱因斯坦发表第一篇关于相对论的论文三个月后，即当年九月，他又发表了一篇关于同一主题的后续论文《物体的惯性是否取决于其所拥有的能量》，在文章中研究运动物体的动能。如果运动参照系的速度Ｖ值较小，爱因斯坦的公式与牛顿的动能理论相符合，但有一点截然不同，即如果Ｖ值为零，质量为ｍ的物体其动能E并非为零，这时的能量是物体的静止质量能。虽然他的那个著名的E＝mc2质能方程1907年才最终见诸纸面，但爱因斯坦在此篇文章中所提出的“静止物质能”的成就能让他同样闻名于世。1905年，他所发表的论文强烈地暗示，光是以粒子形式传播，而传播光的粒子即光子，具有有限的能量。1907年时，他提出了一个公式与1905年的文章呼应，阐释光子具有有限的动能。在1905年第二篇关于相对论的论文中，爱因斯坦表明静止物质能意味着能量和质量在静止时相等，这种等值可以解释放射性辐射现象。根据他的说法，人们可以“用一个能量可能变化很大的的物体（如镭等物质）来检测这个理论，如果理论与事实相符合则说明辐射通过放射性发射和吸收物质来传送惯性”。当时，应该说即使爱因斯坦自己也没有意识到他的发现和异常简洁的E＝mc2等式会如此深远地改变他的生活，这些理论不经意间导致了四十多年后原子弹的诞生。
