تئوری نسبیت در اوایل قرن بیستم توسط البرت اینشتین ارائه شد که به سرعت تبدیل به یکی از ایده‌های اساسی فیزیک شد. در واقع نسبیت از دو جز تشکیل شده‌است؛ نسبیت عام و خاص. نسبیت خاص تاثیرات حرکت با جهت و سرعت ثابت را در اندازه جرم ماده، حین گذر زمان بررسی می‌کند؛ همچنین بیان می‌دارد که جرم و ماده می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند و دستیابی به سرعت بیش از سرعت نوری غیرممکن است. نسبیت عام به بررسی تاثیرات حرکات خمیده یا شتابدار و مناطق جاذبه بر جرم، اندازه و زمان می‌پردازد؛ همچنین توضیح می‌دهد که چگونه ماده و فضای خالی به روش‌های پیچیده‌ای بر یکدیگر تاثیر می‌گذارند که می‌توان نتیجه گرفت که جهان اندازه محدودی دارد. براساس نسبیت، درک مردم عادی از حرکات رخ داده در فضا و زمان به طور تقریبی درست است و در بسیاری از موارد نظیر مناطق جاذبه پرقدرت و سرعت‌های نزدیک به نور صادق نمی‌باشد. پیش‌بینی‌هایی که نسبیت انجام داده توسط محققان بسیاری طول زمان آزمایش شده‌است و با دقت بالایی درست از آب درآمده‌اند؛ بنابراین نسبیت در دنیای علم تئوری است که زیربنای ایده‌هایی را تشکیل می‌دهد که بخشی از طبیعت را توصیف می‌کنند، و صرفا تئوری با شک و تردیدهای فراوان نیست.
اصل هم‌ارزی
تئوری عام انیشتین که در سال ۱۹۱۵ اعلام شد، از اصل هم‌رزی استفاده می‌کند تا نیروی جاذبه را توضیح دهد. دو بیان هم‌ارز از این اصل وجود دارد. ابتدا، یک اتاق بسته را روی زمین در نظر بگیرید. در ان فردی نیروی جاذبه‌ای به سمت پایین احساس می‌کند. این نیرو چیزی است که ما آن را وزن می‌نامیم؛ که باعث میشود اجسام با شتاب ۹.۸ m/s2 به سمت پایین بیایند. حال، یک اتاق عین مثال قبلی را در فضا تصور کنید که هیچ ماده‌ای درآن وجود ندارد. سپس موشکی را فرض کنید که به ته اتاق جسبیده و اتاق را با شتاب ۹.۸ m/s2 به سمت بالا می‌راند، نتیج این میشود که اجسام درون اتاق نیز با شتاب ۹.۸ m/s2 به سمت پایین کشیده می‌شوند و اگر فردی در اتاق باشد، چیزی به غیر از وزن معمول خود را حس نخواهد کرد. شبیه همان اثز=ری است که ما به هنگامی که در یک ماشین با شتاب بالا می‌نشینیم، حس می‌کنیم که این نیرو تحت عنوان نیروی لختی شناخته میشود. نیروی لختی همیشه برخلاف نیروی شتاب‌دهنده عمل می‌کند. آیا در مثال اتاق‌ها آیا می‌توان فقط با بودن در درون اتاق، حدس زد که ما بر روی زمین قرار داریم یا نه؟ خیر. بنابراین در زمانی که حرکت شتابدار مطرح است، نمی‌توان بین نیروی جاذبه و نیروی لختی تمایز قائل شد.
چه می‌شد اگر اتاق درون فضا شتابدار نمی‌بود؟ دیگر نیروی لختی در کار نبود و اجسام درون اتاق سقوط نمی‌کردند. سپس تصور کنید که اتاق به طور جادویی به زمین منتقل شود ولی با یک خطای کوچک به جای سطح زمین در ۱۰۰ پایی سطح زمین قرار بگیرد. جادبه زمین اتاق را با شتاب ۹.۸ m/s2 پایین خواهد کشید. هنگامی که اتاق حرکت شتابدار در فضا دارد، این شتاب موجب ایجاد نیروی لختی میشود که نیروی جاذبه را خنثی می‌کند. در این مورد نیروی لختی به سمت بالا و نیروی جاذبه به سمت پایین خواهد بود. این نیروها به طور دقیق همدیگر را خنثی می‌کنند و حس بی‌وزنی را در داخل اتاق ایجاد می‌کنند. فضانوردانی هم که در اطراف زمین غوطه‌ور هستند، نه به خاطر اینکه نیروس جاذبه وجود ندارد، بلکه به دلیل اینکه مثل اتاق در مثال قبل در حال سقوط ازاد هستند، شناور می‌مانند.
بیان دوم اصل هم‌ارزی، مربوط به مفهوم جرم می‌باشد. جرم در قوانین نیوتون در دو راه متفاوت ظاهر میشود. در قانون دوم نیوتون، مقدار نیروی لازم برای شتابدار کردن یک جسم، با افزایش جرم آن افزایش می‌یابد. جرمی که در قانون دوم نیوتون مدنظر است، جرم لختی می‌باشد. در عین حال، در قانون جاذبه نیوتون نیروی جاذبه میان دو جسم با افزایش جرم اجسام افزایش می‌یابد. جرم در قانون جاذبه به جرم جاذبه‌ای هم معروف است. جرم لختی و جرم جاذبه‌ای با یک واحد بیان می‌شوند و همیشه با هم برابر هستند ولی در قوانین نیوتون، دلیل روشنی برای این ارائه نشده‌است. فیزیکدان‌های نیوتونی این برابری را به عنوان یک تصادف شگفت‌انگیز قبول کرده‌اند. ولی اینشتین اظهار داشت که این دو در واقع یک چیز هستند که این بیان دوم اصل هم‌ارزی می‌باشد.
این دو بیان از اصل هم‌ارزی از لحاظ منطق معادل هم هستند، یعنی می‌توان برای اثبات یک طرف از طرف دیگری استفاده کرد. اصل هم‌ارزی فرض پایه تئوری نسبیت عام می‌باشد.
طبیعت هندسی جاذبه
با استفاده از اصل هم‌ارزی، اینشتین توانست تئوری نسبیت عام را استنباط کند. نسبیت عام توضیح می‌دهد که نیروی جاذبه نتیجه هندسه فضا-زمان می‌باشد. برای درک بیشتر همان اتاق معروف در مثال‌های قبلی را در نظر بگیرید. فردی در اتاق توپی را عمود بر جهت شتاب می‌اندازد. چون توپ به طور مستقیم با عامل شتاب‌دهنده در تماس نیست، راهی که توپ می‌رود خمش پیدا می‌کند. حالا به جای توپ، اشعه نوری را تصور کنید که در اتاق سربسته در عرض اتاق تابیده میشود. فرد حاضر در اتاق مشاهده می‌کند که مسیر نور مثل توپ دچار خمش میشود. تنها تفاوتشان در میزان انحنا می‌باشد که برای اشعه نوری کمتر است چون سرعت آن بسیار بیشتر از توپ است.
حال، همان اتاق بسته را بر روی زمین در نظر بگیرید. توپی که در عرض اتاق پرتاب میشود، به دلیل وجود جاذبه زمین مسیرش به سمت پایین خم میشود. در مورد اشعه نوری چطور؟ اصل هم‌ارزی می‌گوید که تمایز میان نیروی لختی و جاذبه ممکن نیست؛ بنابراین هر آزمایشی که انجام شود، نتایج یکسانی را هم در فضا و هم در زمین خواهدداشت. پس اصل هم‌ارزی پیشبینی می‌کند که اشعه نوری که در اتاق فرضی تابش شده، هم در سطح زمین هم در فضا به شمت چایین خم خواهد شد. به عبارتی دیگر سقوط خواهد کرد.
سوال این است که: چرا؟ نور که جرمی ندارد. براساس قانون جاذبه نیوتون، تنها اجسامی که دارای جرم هستند، تحت‌تاثیر جاذبه قرار می‌گیرند. اصولا نور جون جرمی ندارد، باید در مسیر مستقیم حرکت کند. اینشتین بیان کرد که نور از قضا در مسیر مستقیم حرکت می‌کند؛ در واقع ذات مسیر مستقیم با وجود جرم تغییر می‌کند و این تغییر هندسی همان چیزی است که ما آن را جاذبه می‌نامیم. راه دیگر بیان این مسئله این است که فضا-زمان دارای پیچ و خم می‌باشد.
قبل از اینشتین، مردم فکر می‌کردند که فضا و زمان مستقل از هم می‌باشند و فضا مطلق بوده(از ماده و انرژی تاثیر نمی‌گیرد) و مسطح می‌باشد (هندسه اقلیدسی). هندسه اقلیدسی مجموعه قوانینی است که هندسه اجسام مسطح را توضیح می‌دهد و در کلاس‌های دبیرستان تدریس میشود. درنسبیت عام، فضا-زمان لزوما اقلیدسی نیست؛ حضور جرم در فضا-زمان پیچ و خم ایجاد می‌کند. تصویرسازی پیچ و خم فضا-زمان غیرممکن است چون برخلاف هندسه اقلیدسی که در سطوح ۲ بعدی بررسی میشود، در سطوح ۴ بعدی بحث میشود. پیچ و خم در فضا-زمان اثراتی را ایجاد می‌کند که ما آن را جاذبه می‌نامیم. ما هنگامی که مسافتی بلند را بر روی زمین طی می‌کنیم مسیر حرکتمان خمیده خواهد شد، چون سطح کره زمین کروی است؛ همین مورد در اجسامی که در فضا-زمان سیر می‌کنند نیز صدق می‌کند.
یکی از نتایجی که می‌توان از خمش فضا-زمان به وسیله جرم گرفت، این است که اندازه جهان محدود است. نه به این معنی که فضا در جایی پایان می‌یابد، به این معنی که فضا در داخل بالون نهایتا در سطح داخلی بالون به پایان می‌رسد؛ فضا محدود است ولی به جایی متصل نیست. فیزیکدانان وضعیت ما را همچون اجسام دوبعدی کاملا مسطحی فرض می‌کنند که بر روی سطح یک کره زندگی می‌کنند و اندازه‌گیری‌هایشان محدود به دوبعد است و نمی‌توانند مفهوم ۳ بعدی را درک کنند. در کل، اندازه جهان به طور مستقیمی بستگی به مقدار ماده و انرژی دارد.
خم شدن نور
اولین تاییدیه آزمایشی نسبیت عام در سال ۱۹۱۹ کمی پس از چاپ شدن آن نمایان شد. قانون جاذبه نیوتون پیشبینی کرده‌بود که جاذبه تاثیری بر نور ندارد چون جرم ندارد؛ با این حال، اصل هم‌ارزی، نسبیت عام بر پایه آن بنا شده، پیشبینی می‌کند که جاذبه نور را خم خواهد کرد. نزدیک‌ترین توده جرمی که تاثیر قابل‌توجهی بر مسیر نور دارد، خورشید می‌باشد. موقعیت تقریبی یک ستاره که خورشید سد راه نور آن شده‌است، چون نور آن توسط خورشید دچار خمش میشود، با اندکی تغییر در اندازه‌گیری همراه است. همانطور که توضیح داده‌شد، چنین تغییراتی حین مشاهداتی که در سال ۱۹۱۹ بر روی خورشیدگرفتگی انجام می‌گرفت، مشاهده شد.
همین اواخر، این اثر به شکل لنزهای جاذبه‌ای نیز مشاهده شد. اگر کهکشانی در موقعیتی بین ما و یک جسم دور، مثلا یک اختروش، قرار گیرد، جرم کهکشان نور حاصله از اختروش را دچار خمش خواهد کرد. اگر مقدار خمش درست باشد، نوری که از اختروش آمده و قرار بود به ما نرسد، تحت تاثیر جاذبه قرار گرفته و به سمت ما خواهد آمد. وقتی این اتفاق بیفتد، ممکن است دو یا چند تصویر از یک اختروش داشته‌باشیم. تعدادی از این لنزهای جاذبه‌ای تاکنون مشاهده شده‌اند.
تب‌اختر دوتایی نوبل فیزیک ۱۹۹۳ به فیزیکدانان آمریکایی Joseph Taylor و Russell Hulse به خاطر کشف تب‌اختر دوتایی در سال ۱۹۷۴ رسید. یک تب‌اختر، یا ستاره نوترونی چرخنده، آخرین حالت برخی ستاره‌ها است؛ ستاره‌ای تبدیل به ستاره نوترونی میشود که سوخت هسته‌اس ان تمام شده‌است و نیروی جاذبه آن به قدری است که اندازه آن را به اندازه یک شهر کوچک تقلیل می‌دهد. یک تب‌اختر دوتایی، درواقع دو تب‌اختر می‌باشد که به دور هم می‌گردند. چون بسیار چگال هستند، میادین جاذبه بسیار قوی تولید می‌کنند؛ و به این دلیل، تب‌اخترهای دوتایی تست‌های آزمایشی بسیار خوبی برای پیش‌بینی‌های نسبیت عام هستند. نسبیت عام پیشبینی کرده‌بود که برخی سیستم‌ها وجود دارند، مثل تب‌اخترهای دوتایی، که امواج جاذبه‌ای را ساطع می‌کنند که با سرعت نور در حال حرکتند و این امواج انرژی را از این سیستم‌ها دور می‌سازند. این زوال انرژی، سرعت چرخش این ستاره‌ها را به مرور کاهش می‌دهد. Taylor و Husle نیز با اندازه‌گیری سرعت کاهش چرخش، توانستند که این پیشبینی نسبیت عام را تایید کنند.
