Teoria relativității reprezintă în fizica modernă un ansamblu a două teorii formulate de Albert Einstein: relativitatea restrânsă și relativitatea generalizată.

Anul miraculos al lui Einstein, când se dezvoltă Teoria Relativității, a fost 1905. În acest an, Einstein își dă doctoratul la Universitatea din Zürich cu o teză asupra determinării dimensiunilor moleculare. Dar ceea ce face ca acest an să fie un adevărat annus mirabilis sunt cele cinci scrieri trimise de Einstein la anuarul de fizică german Annalen der Physik:

17 martie: Einstein trimite spre publicare articolul „Un punct de vedere euristic privind producerea și transformarea luminii”, în care sugerează (din considerente termodinamice) că lumina poate fi considerată ca fiind compusă din cuante de energie independente. Articolul avea să apară la sfârșitul lunii mai;

30 aprilie: Einstein trimite al doilea articol, în care arată cum se pot calcula Numărul lui Avogadro și dimensiunea moleculelor, studiind mișcarea lor într-o soluție. Acest articol a fost acceptat și ca teza de doctorat, apărând în Annalen der Physik doar în ianuarie 1906. Este pe locul trei ca celebritate, dar pe unul din primele locuri privind numărul de citări de care s-a bucurat în acei ani. Einstein dedică teza de doctorat prietenului său Marcel Grosmann, fost coleg la ETH.

11 mai: Einstein trimite spre publicare articolul său despre mișcarea browniană – „Despre mișcarea particulelor mici suspendate în lichide staționare, conform cerințelor teoriei cinetico-moleculare a căldurii”;

30 iunie: Marele articol „Asupra electrodinamicii corpurilor în mișcare”

27 septembrie: Articolul trimis de data aceasta are doar trei pagini și se intitulează „Depinde inerția unui corp de conținutul său energetic?” (Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?). Articolul conține – conform unui obicei care avea sa se întâlnească frecvent la Einstein – gândurile sale de după publicarea marelui articol despre relativitatea specială.

În 19 decembrie 1905 scrie al doilea articol dedicat mișcării browniene, dar acest articol va fi publicat în ianuarie 1906.

Teoria Relativității Restrânse

Cea de-a patra lucrare importantă publicată de Einstein în 1905, „Asupra electrodinamicii corpurilor în mișcare”, conținea ceea ce avea să fie cunoscută mai târziu ca Teoria relativității restrânse, una dintre cele mai celebre contribuții ale sale, în care demonstrează că teoretic nu este posibil să se decidă dacă două evenimente care se petrec în locuri diferite, au loc în același moment sau nu. Ideile de bază au fost formulate de Einstein încă de când avea 16 ani (deci cu 10 ani în urmă).

Încă de la Newton, filozofii naturali (denumirea sub care erau cunoscuți fizicienii și chimiștii) încercaseră să înțeleagă natura materiei și a radiației, precum și felul în care interacționau într-o imagine unificata a lumii. Ideea că legile mecanicii sunt fundamentale era cunoscută drept concepția mecanicistă asupra lumii, în timp ce ideea că legile electricității sunt fundamentale era cunoscută drept concepția electromagnetică asupra lumii. Totuși, niciuna dintre idei nu era capabilă să ofere o explicație coerentă asupra felului cum radiația (de exemplu lumina) și materia interactionează atunci când sunt văzute din sisteme de referință inerțiale diferite, adică interacțiile sunt urmărite simultan de un observator în repaus și un observator care se mișcă cu o viteză constantă.

În primăvara anului 1905, după ce a reflectat la aceste probleme timp de 10 ani, Einstein și-a dat seama ca esența problemei constă nu într-o teorie a materiei, ci într-o teorie a măsurării. Esența acestei teorii speciale a relativității era constatarea că toate măsurătorile timpului și spațiului depind de judecăți asupra simultaneității a două evenimente diferite. Aceasta l-a condus la dezvoltarea unei teorii bazate pe două postulate:

• Principiul relativității, care afirmă că legile fizicii sunt aceleași în toate sistemele de referință inerțiale
• Principiul invariabilității vitezei luminii, care arată că viteza luminii în vid este o constantă universală.
Numai viteza luminii este constantă în orice sistem de referință, lucru preconizat și de teoria lui Maxwell. Tot aici apare pentru prima data celebra sa formulă:

E= mc2 („Echivalența masă-energie”)

Această ecuație exprimă cantitate imensă de energie ascunsă într-un corp și care poate fi eliberată atât în procesul de fisiune cât și în cel de fuziune nucleară, procese care stau la baza funcționării bombei atomice.

Einstein a fost primul care a unit mecanica clasică cu electrodinamica lui Maxwell. Elaborând teoria relativității restrânse, Einstein a spart tiparele unor concepții geniale, clădite cu peste două secole în urmă, de către Isaac Newton în a sa Philosophiae naturalis principia mathematica (1686), dovedind o intuiție și un curaj exemplar. Prin aceasta a fost capabil să ofere o descriere consistentă și corectă a evenimentelor fizice din diverse sisteme de referință inerțiale fără a face presupuneri speciale cu privire la natura materiei sau a radiației, sau a felului cum ele interacționează.

Ideea de bază a acestor două teorii este că timpul și distanțele unui eveniment măsurate de doi observatori au, în general, valori diferite, dar se supun totdeauna acelorași legi fizice. Când doi observatori examinează configurații diferite, și anume deplasările lor, una în raport cu cealaltă, aplicând regulile logice, se constată că legile fizice au în mod necesar o anumită formă.

Cel mai precis ceas din lume a arătat clar câtă dreptate a avut Albert Einstein acum mai bine de 100 de ani, când a spus că timpul este un concept relativ şi că, cu cât trăieşti mai sus deasupra nivelului mării, cu atât mai repede vei îmbătrâni.

Teoria relativităţii susţine că timpul şi spaţiul nu sunt constante, unica valoare constantă fiind viteza luminii – aceasta înseamnă că timpul poate trece mai repede sau mai încet, în funcţie de înălţimea la care te afli şi de viteza cu care călătoreşti. Un colectiv de oameni de ştiinţă de la Institutul pentru Standarde şi Tehnologie din Statele Unite, condus de James Chin-Wen Chou, a constatat că două ceasuri atomice extrem de precise, aşezate la o distanţă de doar 30 de centimetri între ele faţă de nivelul mării, au arătat că timpul se scurge mai repede la înălţime mai mare – exact cum a prezis Einstein. Aşadar, ceasurile au perceput dilatarea timpului. Pentru fiecare 30 de centimetri deasupra nivelului mării, de exemplu, o persoană va îmbătrâni mai repede cu a 90 milioana parte dintr-o secundă. Studiul, publicat în revista Science, a mai arătat că, atunci când ceasurile au fost modificate pentru a copia efectul călătoriei în spaţiu, timpul s-a scurs mai lent. Astfel s-a demonstrat practic „paradoxul gemenilor” din teoria specială a relativităţii, conform căruia unul dintre doi gemeni identici care călătoreşte în spaţiu într-o rachetă va îmbătrâni mai încet decât fratele său rămas pe Terra.