در این درس به یکی از مشهورترین نظریات تاریخ بشر، نسبیت می پردازیم. نسبیت نظریه ای با ساختار ریاضیاتی است که نتایج فیزیکی اعجاب آور آن در شرایط آزمایشگاهی متعددی تائید شده اند. این نسبیت در برابر مطلق بودن قرار گرفته است. نظریه نسبیت چند مفهوم اساسی مورد قبول پیشینی یعنی فضا و زمان مطلق (از نیوتن) و همچنین اتر (از ماکسول) به عنوان واسطه ای که فضا را پرکرده و سبب می شود نور و امواج الکترومغناطیس به ما برسند را نفی و چارچوب جدیدی را پیشنهاد می دهد.

بیش از دویست سال معادلات حرکت بیان شده توسط نیوتن به درستی توصیف کننده طبیعت تلقی می‌شدند و اولین باری که خطایی در این قوانین کشف شد، راه تصحیح آن نیز کشف گردید. هم خطا و هم تصحیح آن توسط اینشتین در سال 1905 کشف شدند.

ریچارد فاینمن

امروزه نظریه نیوتنی را به عنوان یک تقریب محدود برای نظریه دقیق تر نسبیت درنظر می گیریم. فیزیک نیوتنی همچنان یک نظریه کاربردی برای سرعت های بسیار کوچکتر از سرعت نور $c=3\times 10^8 \: m/s$ است و در طیف گسترده ای از علوم پایه و مهندسی فراگرفته شده و از نتایج آن بهره برداری می شود. نیازی نیست که برای بررسی مسیر یک توپ فوتبال یا یک اتومبیل سواری از نسبیت استفاده کنیم اما در مواردی که سرعت اشیاء بالا و نزدیک به سرعت نور است یا احتیاج به دقت های بالا داریم این نظریه نسبیت است که راهگشا خواهد بود.

نسبیت به طور معمول به دو نظریه جداگانه اما سازگار تقسیم بندی می شود. ابتدائا نسبیت خاص که در سال 1905 با مقاله آلبرت اینشتین در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک (Zur Elektrodynamik bewegter Körper) چگونگی تبدیل قوانین فیزیک مابین دو ناظر متحرک لخت (شتاب صفر) را در عدم حضور گرانش شناخته می شود و دیگری نسبیت عام که سلسله مقالاتی در سال 1915 شرح دهنده چگونگی تاثیر گرانش بر جهان اطراف یا فضازمان می باشد.

نسبیت خاص بر مفروضات یا اصول موضوعه ای استوار است. اصلی که معمولا به خلاف شهودی بودن متهم می شود؛ یکسان بودن مقدار سرعت نور در تمامی چارچوب های مرجع لخت (یا غیر شتابدار) است. این سرعت بسیار بیشتر از سرعتی است که اجسام زندگی روزمره حائز آن می باشند بنابراین غالب پیامدهای این نظریه در زندگی معمولی و شهودی ما قابل توجه نیست. مثلا اگر در جهانی بودیم که سرعت نور در آن در حدود $100\:km/h$ بود؛ می توانستیم شهود جدی نسبت به پدیده هایی همچون انقباض طول یا اتساع زمان داشته باشیم.

دیگر مسئله مهم این است که بدانیم قوانین فیزیک چیست و هر ناظر نوعی چگونه این قوانین را درک و دریافت می کند. ایده نیوتن این بود که قوانین به وسیله چارچوب های مرجع لخت درک و دریافت می شوند. همچنین فضای مطلق و ساکنی وجود دارد که همچون ظرفی دربرگیرنده اشیاء جهان است و چارچوب های لخت ایده آل با سرعت ثابت نسبت به آن تعیین می شوند. اضافه بر فضای مطلق، زمانی مطلقی نیز داریم که برای همه ناظرها یکسان است. نسبیت این اصول را زیر سوال برده و این مهم را مطرح می سازد که هیچ چارچوب مرجع مطلق ممتازی وجود ندارد که در سکون باشد. بلکه همه حرکات نسبی اند و قوانین فیزیک در تمامی چارچوب ها یکسان خواهد بود. زمان نیز ماهیت مطلق خود را از دست داده و همزمانی دو اتفاق می تواند کاملا نسبی باشد. به طوری که یک ناظر دو رویداد مجزا را همزمان ببیند و دیگری نه.

در فصل های بعدی خواهیم دید که چگونه آن فضا و زمان مجزا و مطلق به فضازمان متحد می شود و همچنین بیشتر با تاریخ نسبیت آشنا می شویم. ایده و نقش اینشتین در شکل گیری چارچوب نظری بسیار حائز اهمیت است با این حال تاریخ گواه می دهد که مسئله و مواجه با آن پیش تر رخ داده. به طوری که ادموند ویتیکر در سال 1910 می نویسد:

در پاییز همان سال [1905]، در همان جلد مجله‌ سالنامه فیزیک (Annalen der Physik) که مقاله او درباره‌ی حرکت براونی منتشر شد، اینشتین مقاله‌ای منتشر کرد که نظریه‌ی نسبیت پوانکاره و لورنتس را با برخی بسط‌ها شرح می‌داد و توجه زیادی را به خود جلب کرد.

ادموند ویتیکر