我們的故事要從一次跑步開始講起，這個故事無所謂年份，無所謂地點，無所謂具體人物。
為了敘述的方便，就讓我們一起去學校的操場跑步吧。現在，讓我來計時，你來跑步。我們的規則是跑兩次，白天一次，晚上一次。你先克制一下你的疑惑，讓我們跑完再說。白天這次你跑了16.8秒，離達標還差一點。為了晚上取得更好的成績，你努力鍛煉了一下，試圖恢復一些當年的勇猛。晚上又跑了一次，這次你自我感覺很不錯，覺得應該會比白天那次跑得更好一點，可是我把成績一告訴你，你卻吃了一驚，怎麼反而只有17.2秒了？
下面這幅示意圖可以解釋為什麼你晚上狀態更好，成績卻更差了。原因很簡單，晚上視線太差，黑漆漆的你跑了一條斜線都不自知。
【圖7-1】跑步的方向不一樣導致成績不同
看了這張圖，你恍然大悟了，原來你小子讓我在晚上跑步是別有用心的，故意就是要讓我把方向跑偏。你不用生氣，為了科學，犧牲這麼點兒自尊不要緊。現在我來問你：「假設你兩次跑步的速度是一樣的，為什麼晚上的用時比白天更長了呢？」
你白了我一眼說：「你這不是明知故問嘛，晚上我方向跑偏，跑的路程更長了，所以用時就更多了。」
我說：「回答正確，用距離來解釋這個現象是我們最直觀、最樸素的想法。但是你知不知道，還有另外一種更抽像的解釋，在這個解釋中，我們不需要距離這個概念。」
你說：「哦？什麼解釋，你說說看。」
我說：「你剛才自己也提到，運動是有方向的，你的運動速度我們可以分解為x軸方向的速度和y軸方向的速度的合成速度。假設你跑步的速度是v，白天跑步的時候，你在y軸方向的速度是vy＝0，而在x軸方向的速度vx＝v。但是到了晚上，你在y軸方向的速度大於零，在合成速度不變的情況下，你在x軸方向上的速度就必然小於v了。這就好像在y軸方向的速度分走了一部分你的跑步速度，你在x軸方向上運動的速度變慢了，所以你晚上的成績不如白天。」
你若有所思地點點頭說：「明白了，速度的方向看來很關鍵。」
千萬別小看這個看起來更抽像一點的解釋，這是我們對運動本質認識上的一次大飛躍。我們認識到，任何一個物體在空間中的運動速度，都可以分解為在互相垂直的三個方向上運動的合成，像下面這個示意圖顯示的那樣：
【圖7-2】物體的運動速度是三個方向的合成速度
一個物體的運動速度v是由它在x、y、z三個軸方向上的速度的合成，如果總速度恆定的話，其中一個方向上的速度增大，另外兩個方向上的合成速度就必然減小，就好像速度是被切成三塊的蛋糕，你可以隨便怎麼切這三塊，但是蛋糕的總大小不會改變。這x、y、z三個方向，物理學家用了一個聽起來很「拉風」的詞來描述，那就是「維度」。我前面所說的概念如果讓物理學家來說的話，他們就會說：「物體在三維空間中的運動可以分解為在三個維度上的運動合成」。這種物理學描述方式聽起來很拉風，但其實意思跟我們前面用方向來表述是一樣的。
下面又該愛因斯坦登場了。愛因斯坦向我們大聲宣佈了一個驚人的發現，他說：「這個宇宙中任何物體的運動速度都是光速c。對，沒錯，你我的速度是c，太陽、月亮、星星，還有光本身，我們的運動速度都是光速c。只不過這個速度不是在三維空間中的速度，而是在「時空」中的速度。除了空間的三個維度以外，我們必須再增加一個維度，這個維度就是時間，多了個時間維度後，空間就不再是空間，時間也不再是時間，而是糾纏在一起成為時空。時間空間是一個整體，我們每個人都是生活在這樣一個四維時空中，我們每個人在時空中的運動速度都恆定為c，永遠不會快一丁點兒，也不會慢一丁點兒。」
這個發現實在是太讓人震驚了，我們把愛因斯坦的這個發現畫成一個簡單的示意圖的話，就會是下面這個樣子：
【圖7-3】物體在時空中的運動速度恆定
你是不是已經在頭腦中模模糊糊地建立起了時空概念了呢？一旦我們明白了時空的含義，就會發現，任何物體的運動速度不再是把蛋糕切成三塊了，而必須切成四塊，蛋糕的總大小永遠恆定為c。
這是一個如此簡潔、優美而深刻的發現，這是人類對宇宙認識的一次飛躍。每當我想起它，總是一次又一次地被深深震撼。用這個簡潔而深刻的思想來解釋狹義相對論中關於時間和速度的關係，就成了天經地義的事情：物體在空間中的運動速度會分走在時間中的運動速度，空間中運動得越快，在時間中就越慢。時間空間是一個密不可分的整體，任何物體都是在時空中做著相對運動，時間和空間是互相垂直的兩個維度。運用這個思想，就可以用普通的速度合成公式極其簡單地推導出相對論因子。這個思想還蘊含著這樣一個顯而易見的事實：物體在空間中的運動速度有一個極限，那就是光速c。我們不再需要用眼花繚亂的質能公式和牛頓第二運動定律去聯合解釋為什麼光速是極限，這個時空運動的思想簡潔而有力地告訴我們：假設物體的運動速度完全從時間這個維度中轉移到空間中，那麼物體在空間中的運動速度就達到了最大速度c。以光速在空間中運動的事物，在時間中就停止運動了，所以，光是不會變老的，從宇宙大爆炸中誕生出來的光子仍然是過去的樣子，在光速運動中，沒有一丁點兒時間的流逝，時間真的停止了。現代的相對論學家認為，光速c很可能是我們這個宇宙時空的一個幾何性質，就像圓周率是π，它是一種數學性質，跟物理性質無關。
從此，我們不再分開談論時間的流逝和空間中運動的速度，只要是運動，就是在時空中的運動。當你進行百米衝刺的時候，你我在時空中進行著相對運動，空間發生變化的同時，時間也一定會發生變化。看來，我們經常在科幻小說中看到的「時空穿梭」其實一點兒都不稀奇，你大可以理直氣壯地宣佈：我以百米衝刺的速度在時空中穿梭，我們每個人每時每刻都在時空中穿梭。你也可以理直氣壯地宣佈：我離一秒鐘前的自己距離30萬千米。這真是一個遙遠的距離啊，如果你和你的愛人錯開了一秒鐘，那麼你要不停地步行九年半才能追上你的愛人。我們都是生活在低速世界中的生物，我們在空間的三個維度中能達到的速度和光速相比實在是小得可憐，這才會讓我們產生時間和空間這兩個完全不同的概念。如果我們想像宇宙中有一種日常生活的速度都是接近光速運動的智慧生命，那麼在那些智慧生命的概念中，將不再區分時間和空間，在它們的感覺當中，時間和空間只不過是不同的方向而已，他們看狹義相對論的各種效應都會像我們看太陽的東昇西落和大自然的花開花落一樣平常。在相對論學家的眼裡，時空才是我們這個宇宙的本質。請你務必在頭腦中牢牢地建立時空這個概念，牢牢地記住沒有單純的空間運動，這對於理解我們後面要講的東西至關重要。