สัมพัทธภาพ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นกลุ่มของทฤษฎีทางฟิสิกส์ 2 ทฤษฎี คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทฤษฎีทั้งสองนี้ถือกำเนิดขึ้นเพื่อใช้อธิบายข้อเท็จจริงที่ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นไม่ได้ประพฤติตนตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่โดยไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกต แนวคิดหลักของทั้ง 2 ทฤษฎีนี้ คือ แม้ผู้สังเกตสองคนที่กำลังเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันนั้นอาจจะตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของเวลาและตำแหน่งได้ต่างกันสำหรับเหตุการณ์หนึ่งๆ แต่ทั้งสองจะยังคงสังเกตเห็นเนื้อหาของกฎทางฟิสิกส์ที่เหมือนกัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ได้รับการแนะนำเป็นครั้งแรก ในผลงานวิจัยของไอน์สไตน์เมื่อปี พ.ศ. 2448 (ค.ศ. 1905) เรื่อง "พลศาสตร์ทางไฟฟ้าของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่" (On the Electrodynamics of Moving Bodies) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ แสดงให้เห็นว่าผู้สังเกตที่อยู่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยที่กำลังเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันด้วยอัตราเร็วคงที่นั้น จะไม่สามารถทำการทดลองใดๆ เพื่อหาว่าผู้สังเกตคนใดมี "การเคลื่อนที่สัมบูรณ์" ทฤษฎีนี้มีสมมุติฐานดังนี้

1. อัตราเร็วแสงในสุญญากาศนั้นจะมีค่าเท่ากันสำหรับผู้สังเกตทุกคน
2. กฎทางฟิสิกส์ไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงกรอบอ้างอิงเฉื่อย

จากทฤษฎีนี้ ไอน์สไตน์ค้นพบผลลัพธ์ที่น่าสนใจหลายอย่างในกรณีการเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วใกล้อัตราเร็วแสง ซึ่งขัดกับสามัญสำนึกของมนุษย์ทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในปี พ.ศ. 2459 (ค.ศ. 1916) (นำเสนอเป็นปาฐกถาในสถาบันวิทยาศาสตร์ปรัสเซียเมื่อวันที่ 15 พฤศจิกายน พ.ศ. 2458) อย่างไรก็ตาม เดวิด ฮิลเบิร์ต นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน เคยเขียนและนำเสนอสมการคล้ายคลึงกันก่อนหน้าไอน์สไตน์ แต่ไม่ได้หมายความว่าเป็นการคัดลอกกันแต่อย่างใด กล่าวได้ว่าทั้งสองต่างเป็นผู้ให้กำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปร่วมกัน

ทฤษฎีนี้กล่าวถึงสมการหนึ่งที่มาแทนที่กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ใช้เรขาคณิตเชิงอนุพันธ์และเทนเซอร์ในการอธิบายความโน้มถ่วง แสดงให้เห็นว่าผู้สังเกตทุกคนเหมือนกันไม่ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่หรือไม่ กฎของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตทุกคน แม้ว่าผู้สังเกตแต่ละคนเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเมื่อเทียบกับผู้สังเกตคนอื่น ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความโน้มถ่วงไม่ได้เป็นแรง (อย่างในกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน) อีกต่อไป แต่เป็นผลจากการโค้งของกาล-อวกาศ (spacetime หรืออาจแปลว่าปริภูมิก็ได้) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีเชิงเรขาคณิตที่ถือหลักว่ามวลและพลังงานทำให้เกิดการโค้งงอของกาล-อวกาศ และการโค้งนี้ส่งผลต่อเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระรวมทั้งแสง