狹義相對論發表於1905年，論文的題目叫“論動體的電動力學”。從這篇文章我們看到，愛因斯坦是通過分析時間概念來解決問題的，也是在“同時性的相對性”這個問題上取得突破的。他醒悟到時間的可疑，認為時間不能絕對定義，並且指出，對於時間的測量決定於人們對“同時性”的認識。也就是說，對時間間隔的測量必然涉及對同時性的判斷，即一個事件和另一個事件在時間上的吻合。他在“論動體的電動力學”一文中對這一點有一段精彩的表述：
“如果我們要描述一個質點的運動，我們就以時間的函數來給出它的坐標值。現在我們必須記住，這樣的數學描述，隻有在我們十分清楚地懂得時間在這裏指的是什麼之後才有物理意義。我們應當考慮到：凡是時間在裏麵起作用的我們的一切判斷，總是關於同時的事件的判斷。比如我說，那列火車7點鍾到達這裏，這大概是說：我的表的短針指到7同火車的到達是同時的事件。”
可能有人認為，用“我的表的短針的位置”來代替“時間”，也許就有可能克服由於定義“時間”而帶來的一切困難。事實上，如果問題隻是在於為這隻表所在的地點來定義一種時間，那麼這樣一種定義就已經足夠了。但是，如果問題是要把發生在不同地點的一係列事件在時間上聯係起來，或者說一一其結果依然一樣一要定出那些在遠離這隻表的地點所發生的事件的時間，那麼這樣的定義就不夠了。
愛因斯坦認識到，時間與信號速度之間有不可分的聯係，不同距離處的兩事件的同時性，與事件的相對位置以及觀測者借以感知它們的聯係方式有關。如果事件的距離和把它與觀測者聯係起來的信號的速度是已知的，觀測者便可計算出該事件發生的時間，並把它和自己先前經曆過的某一時刻對應起來。這種計算對於不同的觀測者是不同的。但是，在愛因斯坦提出這個問題以前，人們卻一直信守這樣一個原則：事件被感知的時間隻取決於它發生的時間，它對於所有的觀測者都是一樣的。愛因斯坦指出，上述原則基於這樣一個前提，即如果所有觀測者的計算都正確無誤，他們對於同一給定事件應該得到相同的時間。然而，愛因斯坦令人信服地證明,這一前提一般並不成立。他發現，處於勻速相對運動中的不同觀測者，對於同一事件一般總會測出不同的時間。如果兩隻時鍾相互之間處於勻速相對運動之中，則它們將保持不同的時間，你無法說哪個鍾是“準”的。運動的時鍾總比相對靜止的時鍾要變慢。對於我們日常遇到的運動速度，這一效應可以忽略，但當時鍾運動的速度愈接近光速，時鍾變慢的效應就愈益顯著。為了進一步說明這個問題，讓我們來做一個“思想實驗”。這是不必在實驗室進行，而隻是通過頭腦去想象的“實驗”，它也是科學實驗的一種形式，並且頗得物理學家們的寵愛。事實上，就連中學生在做物理課習題時也常常用到它。
這個實驗是這樣的：
假定在首都機場的衛星樓裏有兩隻質量相同的時鍾，經過校準同步後，讓一個鍾留在衛星樓裏，而把另一鍾裝上飛機。當飛機由北京飛經上海再返回首都機場時，把兩鍾相比較，這時它們的指針所指示的時間會相同嗎？
有些讀者可能會脫口而出:相同。但事實並非如此。如果這兩個時鍾足夠精密的話，我們將會發現鍾一鍾比一鍾慢一些。
這就是愛因斯坦相對論所預言的“時鍾矛盾”。這裏所說的矛盾，不是邏輯意義上的矛盾，而是指與常識相反的考慮方法，即所謂“佯謬”。
按照狹義相對論，兩隻同步了的時鍾，其中一隻以速度、沿一條閉合曲線運動，經曆秒後回到原處，那麼它比那隻始終未動的鍾要慢1/2,此處為光速。由此可以推出:對於同一經曆過程.因為任何物體（這裏是飛機）的運動速度不會超過光速，值始終小於。
通常情況下，值遠遠小於1，近似等於1，時鍾變慢的程度微乎其微。但是，如果我們能夠發射一個宇宙飛船，使它相對於地球以光速的0.98倍的速度飛行，在地麵上的人看來，飛船內時鍾走速將隻有地麵上時鍾走速的1/5。在這種情況下，假如我們讓25歲和28歲的親兄弟中的哥哥乘飛船作5年飛行，那麼當他回到地麵上時，弟弟將會發現他比哥哥大了1歲。因為這5年是指地麵上的5年，弟弟的年齡已經30歲了。可是在這段時間裏，這船內的吋鍾隻走過1年，哥哥隻長了1歲，隻有29歲。有些物理書上又把這種現象稱為“雙生兒佯謬”。
相對論預言的這種奇妙現象，長期以來一直是物理學家熱烈討論的話題。可是，一直到原子鍾問世之後，才有可能對它做出肯定性的實驗驗證。
1971年，美國海軍天文台把4台銫原子鍾裝上飛機從華盛頓出發，分別向東和向西作環球飛行。結果發現，向東飛行的銫鍾與停放在該天文台的銫鍾之間讀數相差59毫微秒;向西飛行時，這一差值為273微秒。雖然在這次試驗中沒有扣除地球引力所造成的影響，但測量結果表明，“雙生兒佯謬”是確實存在的。
樓上的時間
上麵的例子說明時鍾讀數與時鍾運動速度有關。現在我們來看看，對於在不同的場所，時間又會發生怎樣的情況？
還是讓我們先來看看愛因斯坦的論述吧。愛因斯坦在廣義相對論中指出：在非慣性坐標係中，運動物體在中心物體的引力場中運動時，對於同一經曆過程，在運動物體上測得的時間間隔，要比在中心物體上的測定值大。這就是說，在運動物體上測定的時間，除與運動速度有關外，還與其相對於地心的距離有關。
這種情況表明，高處的時鍾比低處的時鍾要走得快。例如我們可以作這樣的比喻，和北京天安門廣場上的時鍾相比，北海白塔上的時鍾會走得稍快些，而香山頂上的時鍾會走得更快些。但是，這個時差是極其微小的。根據相對論計算位於地球表麵不同高度處的原子鍾，由相對論效應造成的時差修正大約為1.09秒米（海拔）即每升高100米，時鍾要快百萬億分之一秒。
照這樣計算，放在珠穆朗瑪峰上的時鍾，每秒要比地麵上的時鍾快1萬億分之一秒。22米高的6層樓上的時鍾，每秒比地麵上的時鍾快1000萬億分之2.4秒。
在原子鍾出現之前，要測量出如此短暫的時間是不可能的。隻有利用原子鍾，人們才能夠用現代實驗方法驗證它的正確性。
最近幾年（1975.5~1976.1），美國馬裏蘭大學艾利教授與美國海軍天文台溫克博士等人合作，利用？30反潛巡邏飛機、雷達跟蹤和激光技術，進行機載飛行原子鍾與地麵原子鍾對比，結果發現當飛機上升到3萬英尺（1英尺=0.3048米）高空盤旋飛行時，由於引力勢的影響，機載鍾比地麵鍾快1000億分之一秒。這符合相對論的計算值。日本東京大學天文台的飯島重孝教授等人按相反方向做了類似實驗。他們把高處的原子鍾向低處搬運，測量鍾速的減慢。這就是所謂“藍移實驗”，結果得到了同樣的肯定的結論。
目前，世界各國在用原子鍾建立各自獨立的地方原子時的時候，都統一根據它所在地點的海拔高度，按1.09X10—16秒/米的比率對原子鍾速率加以修正。由此可見，愛因斯坦相對論已經滲到人類生活的許多方麵，成為人們認識世界的物質力量。