Творцями СТО є: Лоренц, Пуанкаре, Ейнштейн. Уявлення СТО справедливі тільки для процесів, що відбуваються в інерційних системах відліку.
Принципом відносності Ейнштейна передував принцип відносності Галілея, сформульований тільки для механічних процесів (тобто тільки для класичної механіки - механіки Ньютона).
Принцип відносності Галілея представимо в двох еквівалентних формах:
- всередині рівномірно рухається лабораторії (системи відліку) все механічні процеси протікають так само, як і всередині спочиває
- рівномірний рух лабораторії (системи відліку, пов'язаної з тілом відліку - лабораторією) неможливо виявити ніякими механічними дослідами, проведеними усередині неї
Пояснимо це принцип на наступному прикладі: якщо пасажир (спостерігач) електрички (рухається рівномірно) впустив якийсь предмет (наприклад, годинник), то для нього вони впадуть вертикально вниз, а для людини (спостерігача), що стоїть на землі, предмет буде падати по параболі , оскільки електричка рухається, в той час як предмет падає. У кожного зі спостерігачів своя система відліку. Але, хоча опису подій, при переході з однієї системи відліку в іншу, змінюються, є універсальні речі, що залишаються незмінними. Якщо замість опису падіння предмета задатися питанням про природу закону, що викликає його падіння, то відповідь на нього буде один і той же і для спостерігача в нерухомій системі координат, і для спостерігача в рухомій системі координат. Іншими словами, в той час як опис подій залежить від спостерігача, то закони механіки (надалі Пуанкаре і Ейнштейн узагальнили це на все фізичні закони) від нього не залежать, тобто є інваріантними.
Принцип відносності (як у класичній механіці, так і в СТО) тісно пов'язаний з привілейованими системами відліку, так званими інерційних системах відліку.
Інерційних називаються системи відліку, щодо яких матеріальна точка (тіло) без зовнішніх впливів (або якщо зовнішні впливи компенсуються):
- рухається рівномірно і прямолінійно
Будь-яка система відліку, що спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно щодо інерціальної системи відліку, також є інерціальній (тобто всі інерціальні системи відліку рівноправні)
Вихідні принципи класичної механіки базуються на формулах перетворення координат і часу так званим перетворенням Галілея. Користуючись цими перетвореннями, можна переводити розгляд руху будь-якого тіла (частки) з однієї системи відліку в іншу як, наприклад, розглянутий раніше приклад з падінням предмета в електричці.
Всі закони класичної механіки інваріантніщодо переходу з однієї системи відліку в іншу, проведеного за допомогою перетворень Галілея. Перетворення Галілея базуються на однаковості (інваріантності) часу в різних інерційних системах відліку і класичному законі складання швидкостей.
З перетворень Галілея (тобто з класичної механіки) слід, що при переході від однієї системи відліку до іншої, незмінними (інваріантними) залишаються:
Перейдемо до спеціальної теорії відносності. Основу СТО складають два постулати (принципу) Ейнштейна:
Принцип відносності (перший постулат Ейнштейна, що є узагальненням принципу Галілея на всі фізичні процеси): всі фізичні процеси в усіх інерційних системах відліку протікають однаково.
Сформулюємо цей принцип і в іншому еквівалентному вигляді: закони природи інваріантні у всіх інерційних системах відліку.
Принцип інваріантності (сталості) швидкості світла (другий постулат Ейнштейна): швидкість світла у вакуумі постійна у всіх інерційних системах відліку і не залежить від руху джерел і приймачів світла.
Ейнштейн зрозумів, що єдине пояснення, що дозволяє двом, що рухаються відносно один одного, спостерігачам отримати однакові значення швидкості світла, полягає в тому, що їх сприйняття часу і простору неоднаково, що годинник космічного корабля йдуть не так, як на землі, однакові лінійки у обох спостерігачів мають різні розміри і т.д. Тобто на підставі СТО, швидкість світла в космічному кораблі дорівнює 300000 космічних кілометрів на космічну секунду, а на Землі - 300000 земних кілометрів на земну секунду. Вищенаведений приклад наочно показує, що якщо швидкості інших об'єктів відносні, так як залежать від швидкості руху вимірює спостерігача, то швидкість світла не відносна - вона абсолютна. Цей же приклад показує відносність часу і простору. Швидкість світла відповідає максимально можливої в природі швидкості передачі сигналу.
З постулатів СТО слід, що просторовий інтервал і часовий інтервал (тривалість події) відносні, тобто залежні від руху спостерігача. Однак об'єктивність опису природи вимагає, щоб досліджуване явище можна було характеризувати величинами, що не залежать від вибору системи відліку. Інваріантною величиною в СТО є так званий просторово-часовий інтервал між подіями. що включає в себе тимчасову і просторові характеристики матеріальних процесів. Тобто СТО робить світ чотиривимірним: до трьох просторових вимірів додається час. Всі чотири виміри нерозривні, тому мова йде вже не про просторовому відстані між об'єктами, як це має місце в тривимірному світі, а про просторово-часових інтервалах між подіями, які об'єднують їх віддаленість один від одного, як в часі, так і в просторі. Тобто простір і час розглядаються як чотиривимірний просторово-часовий континуум, або просто простір-час. У цьому континуумі спостерігачі, що рухаються відносно один одного, можуть розходитися в думці про те, чи відбулися дві події одночасно, або одне передувало іншому, але просторово-часовий інтервал для обох спостерігачів буде одним і тим же.
В СТО показано, що не можна передати вплив (світло, інформацію і т.д.) зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, а це унеможливлює порушення причинно-наслідкових зв'язків (тому що саме передача впливу з надсвітовою швидкістю привела б до порушення причинно -следственних зв'язків). Непорушним причинно-наслідкових зв'язків можна назвати инвариантностью причинно-наслідкових зв'язків.
З СТО слід і закон взаємозв'язку енергії і маси: між повною енергією, ізольованого від зовнішніх впливів, тіла і його масою є однозначний зв'язок:. цей закон справедливий і для покоїться тіла:. показуючи, що навіть покояться тіла мають дуже велику енергію, що включає енергію взаємодій і теплового руху атомів і молекул, енергію ядерного взаємодії та ін. енергії. Цей закон показує: які б взаємні перетворення різних видів матерії не відбувалися, зміна енергії в системі відповідає еквівалентному зміни маси. Тобто енергія і маса є двома, однозначно пов'язаними, характеристиками матерії. Цей закон розкриває джерело енергії, використовуваної ядерною енергетикою. Маса продуктів радіоактивного розпаду, що протікає в ядерному реакторі, менше маси вихідної речовини. Різниця мас вихідної та кінцевої (званої дефектом маси), помножена на квадрат швидкості світла (), показує енергію, що виробляється в ядерних реакторах.
Перехід з однієї системи відліку в іншу, в СТО, здійснюється за допомогою перетворень Лоренца.
З перетворень Лоренца (тобто з СТО) слід, що при збільшенні швидкості рухомої системи відліку відносно нерухомої:
- довжина відрізка в напрямку руху зменшується щодо відрізка в нерухомій системі
- хід часу в рухомій системі, щодо часу в нерухомій системі відліку, сповільнюється
Наведені вище слідства пояснюють, розглянутий нами раніше, уявний експеримент: космонавт, визначаючи швидкість світла, ділить свої маленькі кілометри на маленькі секунди і отримує той же результат, що і земний спостерігач, який ділить великі кілометри на великі секунди.
Наслідками СТО є відносний характер:
- відстаней (довжини відрізка), тобто простору
- одночасності подій, тобто часу
Наслідками СТО є:
- простір і час існують як єдина чотиривимірна структура простір-час і описується евклідовій геометрією
- еквівалентність маси і енергії
- зі збільшенням швидкості руху тіла відліку темп часу на ньому сповільнюється
- зі збільшенням швидкості руху тіла його лінійний розмір зменшується
- зі збільшенням швидкості руху тіла його маса зростає
- коли швидкість тіла наближається до швидкості світла, його лінійний розмір прагне до нуля, а маса тіла прагне до нескінченно великий
- інваріантність (незмінність) просторово-часового інтервалу між подіями
- инвариантность причинно-наслідкових зв'язків
Відповідність СТО та класичної механіки: їх передбачення збігаються при малих швидкостях руху (набагато менших швидкості світла).
Додаток СТО до опису механічних процесів, в яких швидкості тел порівнянні зі швидкістю світла, називається релятивістської механікою.