为了理解爱因斯坦狭义相对论（special relativity）的核心概念及其原理与含意，首先请进行一项思想实验（鉴于此为思想实验，我们只需从理论上设想诸种情况，无需考虑实际条件的限制）。按照惯例此处通常用普速火车来阐述，不过为了增添趣味，现在我们不妨想象一列平均时速为300千米的高铁列车。
首先是只涉及经典力学（classical mechanics）的情况：倘若高铁列车上的一名乘客以每小时100千米的速度沿着列车运动的方向射出一支箭矢，且列车外的铁轨旁有一名观测者测量箭矢的速度，那么观测者测得的值将会是两个速度之和，即每小时400千米。
在经典力学的架构中，倘若有一趟列车以光速行驶，其中有一名乘客沿着列车运动的方向发射激光，那么铁轨旁的观测者所测得的激光速度应为两个速度之和，即光速的两倍。
然而，这种结果有两个主要问题。其一，根据麦克斯韦的电磁学方程组（Maxwell's electromagnetic equations），已经可以推导出光以恒定的速度运动，且迈克尔逊-莫雷实验（Michelson-Morley experiment）也已显示光速是不变的；
其二，倘若列车内的观测者测得的光速为3×10^8米每秒，列车外的观测者测得的光速却是6×10^8米每秒，这便意味着电磁学的定律取决于观测者。而爱因斯坦在发展相对论时作出的假定是，同样的物理定律适用于所有不同的观测者，我们现在知道这一点是颠扑不破的真理。
光速不变性与物理定律的普适性，爱因斯坦正是以此二者作为基石建构起了狭义相对论的广厦。
爱因斯坦发现倘若光速确乎是不变的，那么这便说明时间与空间皆取决于观测者的运动状态，而牛顿的绝对时空观（absolute space and time）不再适用。
让我们回到之前高铁的例子，再想象列车内的观测者通过标在车厢上的记号来测量距离，并用自己的手表测量时间，而列车外的观测者通过标在铁轨上的记号测量距离，并也用自己的手表测量时间。
倘若对于两个观测者而言时间是绝对的而非相对的，那么用伽利略变换（Galilean transformation）的公式x'=x-vt即可在这两个参照系之间变换，其中x'是列车内观测者所测得的到某一个沿着铁轨发生的事件的距离；x是列车外观测者所测得的到同一事件的距离；v是列车的运动速度，即一名观测者相对于另一观测者的运动速度；t是事件发生的时间。
想象在列车出发一小时后，列车前方距离出发点400千米的一棵树被闪电击中了。车外观测者所测得的x为400千米，t为一小时；车内观测者也测得t为一小时，因此根据伽利略变换，其测得的x'应该等于100千米。
对于此类结果，爱因斯坦发现了一个潜在的问题，即两名观测者事实上并不能同时观测到闪电。第一，闪电击中树木这一事件的光需要一定时间方可到达某个观测者，即在事件发生一定时间后观测者才身处该事件的未来光锥（future light cone）之内；第二，两名观测者与该事件之间的距离有所不同。因此，光到达两名观测者的时间亦不相同。
让我们进一步想象，恰好在车内观测者经过车外观测者之时有两棵树被闪电击中，一棵位于车外观测者的前方50千米处，另一棵位于其后方50千米处。两个事件的光到达车外观测者所需穿行的距离相等，因此这名观测者必然会看到两个事件同时发生。然而，因为车内观测者的运动使其更靠近两个事件中的一个，所以其会看到两个事件在不同时刻发生。
爱因斯坦据此得出了同时性的相对性（relativity of simultaneity），也即在一名观测者看来同时发生的事件，由于运动状态的不同，在另一观测者看来可能发生于不同的时刻。对于运动的观测者而言，时间流逝得更慢。这便是时间膨胀（time dilation）现象。
爱因斯坦由此进一步推断出，空间也是相对的。倘若列车内外的两名观测者分别测量车厢的长度，由于对两名观测者而言时间流逝的速度不同，二人所测得的长度必然也不相同。一个物体处于运动状态时的长度，小于其处于静止状态时的长度。这便是长度收缩（length contraction）现象。
涉及领域与主题：狭义相对论；相对论力学(relativistic mechanics)；相对性原理(principle of relativity)；相对时间(relative time)；同时性的相对性；时间膨胀；长度收缩
《星际穿越》中1小时相当于外界7年的行星（不过区别在于，彼例为涉及引力的时间膨胀，而非涉及速度的时间膨胀）
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