نسبیت مانند یک قیف بستنی سه اسکوپی است؛ بیشتر ما نمی‌توانیم آن را بدون اینکه دچار انجماد مغزی شویم، در یک لقمه بخوریم. بنابراین بیایید این موضوع را یکی‌یکی بررسی کنیم. ما با نسخه‌ای از نسبیت که بیش از چهار قرن قدمت دارد، یعنی نسبیت گالیله‌ای (Galilean Relativity)، شروع می‌کنیم.
بله، این اسکوپ از بستنی کیهانی از گالیلئو گالیله (Galileo Galilei)، ستاره‌شناس مشهور ایتالیایی، نشأت می‌گیرد و به این صورت توضیح داده می‌شود: هر دو ناظر که با سرعت و جهت ثابت حرکت می‌کنند، نتایج یکسانی برای تمام آزمایش‌های مکانیکی به‌دست خواهند آورد.
بیایید فرض کنیم آزمایش مورد نظر چیزی بیشتر از پرتاب یک توپ پینگ‌پنگ در راهرو یک قطار نیست. تا زمانی که سرعت و جهت ثابت باشد، توپ پینگ‌پنگ دقیقاً یکسان رفتار می‌کند چه قطار با سرعتی کند در حال حرکت باشد و چه با سرعتی بالا در حال حرکت باشد. تا زمانی که قطار به دلیل تغییرات سرعت یا جهت دچار نوسان نشود، داخل واگن قطار هیچ تفاوتی وجود ندارد.
اما در خارج از قطار در حال حرکت، داستان متفاوت است (یا چارچوب مرجع متفاوت است).
برای فردی که در داخل قطار در حال حرکت است — فرض کنیم که قطار با سرعت ۱۰۰ مایل در ساعت (۱۶۱ کیلومتر در ساعت) در حال حرکت است — توپ به نظر می‌رسد که با سرعتی عادی حرکت می‌کند. برای فردی که در کنار ریل ایستاده است، توپ (به فرض اینکه او بتواند آن را ببیند) به نظر می‌رسد که با سرعت قطار به علاوه سرعتی که با آن پرتاب شده، حرکت می‌کند.
این توپ واقعاً با چه سرعتی در حال حرکت است؟ فرض کنیم شما آن را با سرعتی معادل ۵ مایل در ساعت (۸ کیلومتر در ساعت) پرتاب کردید. اگر سرعت قطار را به آن اضافه کنیم، سرعت کل به ۱۰۵ مایل در ساعت (۱۶۹ کیلومتر در ساعت) می‌رسد — محاسبه‌ای که به آن تبدیل گالیله‌ای (Galilean Transformation) گفته می‌شود. در داخل قطار، اگر توپ به سینه‌تان برخورد کند، احساس نخواهید کرد که با سرعت ۱۰۵ مایل در ساعت به شما برخورد کرده است. اما نسبت به بیرون، این سرعت واقعی آن است.
حالا اینجا جایی است که قضیه پیچیده می‌شود: اگر شما بخواهید یک چراغ قوه را به سمت بالا در راهرو قطار روشن کنید، آیا امواج نور ۱۰۰ مایل در ساعت سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کنند؟ نه، بر اساس گفته‌های فیزیکدانان آلبرت آ. میکلسون (Albert A. Michelson) و ادوارد مورلی (Edward Morley)، این‌طور نیست. در سال ۱۸۷۹، این دو آمریکایی آزمایشی پیشگامانه برای اندازه‌گیری سرعت نور انجام دادند. به نظر می‌رسد که نور با سرعت ثابت ۱۸۶,۰۰۰ مایل در ثانیه (۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر در ثانیه) حرکت می‌کند. هیچ راهی برای حرکت سریع‌تر از این وجود ندارد و این مفهوم نسبیت گالیله‌ای را زیر سوال می‌برد.
خوشبختانه، آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در سال ۱۹۲۰ با نظریه نسبیت خاص وارد عمل شد.
نسبیت خاص و نسبیت عام
بنابراین، اینشتین نظریه نسبیت خاص (Theory of Special Relativity) را پیشنهاد داد که به این صورت خلاصه می‌شود: قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌های لخت (inertial frames) (به‌طور کلی لختی تمایل اجسام به حفظ حالت قبلی خود است – مترجم) یکسان هستند و سرعت نور برای تمام ناظران یکسان است. چه در یک اتوبوس خراب، چه در یک قطار در حال حرکت یا در یک سفینه فضایی نسل آینده، نور با سرعت یکسانی حرکت می‌کند و قوانین فیزیک ثابت باقی می‌مانند. فرض کنید که سرعت و جهت ثابت باشد و پنجره‌ای برای نگاه کردن وجود نداشته باشد، شما نمی‌توانید تشخیص دهید که در کدام یک از این سه وسیله نقلیه در حال حرکت هستید.
اما پیامدهای نسبیت خاص بر همه چیز تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، این نظریه پیشنهاد می‌کند که فاصله و زمان مطلق نیستند.
حالا زمان آن رسیده که سومین اسکوپ بستنی را بچشیم، و این یکی هم هدیه‌ای بزرگ از سوی اینشتین است. بیایید آن را شکلات آلمانی (German Chocolate) بنامیم. در سال ۱۹۱۵، اینشتین نظریه نسبیت عام (Theory of General Relativity) را منتشر کرد تا گرانش را در دیدگاه نسبیتی از جهان بگنجاند.
مفهوم کلیدی که باید به خاطر بسپارید، اصل هم‌ارزی (Equivalence Principle) است که بیان می‌کند گرانشی که در یک جهت اعمال می‌شود، برابر با شتاب در جهت دیگر است. به همین دلیل است که یک آسانسور در حال شتاب، احساس افزایش گرانش را در حین بالا رفتن و احساس کاهش گرانش را در حین پایین آمدن ایجاد می‌کند. اگر گرانش معادل شتاب باشد، به این معنی است که گرانش (مانند حرکت) بر اندازه‌گیری‌های زمان و فضا تأثیر می‌گذارد.
این بدان معناست که یک جسم به شدت سنگین مانند یک ستاره، زمان و فضا را از طریق گرانش خود خم می‌کند. بنابراین نظریه اینشتین تعریف گرانش را از یک نیرو به یک خمیدگی فضا-زمان تغییر داد. دانشمندان خمیدگی گرانشی را هم در زمان و هم در فضا مشاهده کرده‌اند و این تعریف را تأیید کرده‌اند.
بدین گونه: ما می‌دانیم که زمان در مدار سریع‌تر از زمانی که بر روی زمین عبور می‌کند، می‌گذرد زیرا ساعت‌های روی زمین را با ساعت‌های ماهواره‌های مداری که دورتر از جرم سیاره ما هستند، مقایسه کرده‌ایم. دانشمندان این پدیده را انبساط زمانی گرانشی (Gravitational Time Dilation) می‌نامند. به همین ترتیب، دانشمندان مشاهده کرده‌اند که پرتوهای مستقیم نور در اطراف ستاره‌های سنگین خم می‌شوند که به آن لنز گرانشی (Gravitational Lensing) می‌گوییم.
خب! نسبیت چه فایده‌ای برای ما دارد؟ به ما یک چارچوب کیهانی می‌دهد تا از آن برای درک جهان استفاده کنیم. نسبیت به ما امکان می‌دهد که مکانیک‌های سماوی را درک کنیم، وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کنیم و دورترین نقاط جهان‌مان را نقشه‌برداری کنیم.
