آلبرت اینشتین به دلایل بسیاری شهرت دارد، یکی از مهمترین آنها نظریه نسبیت او می‌باشد. نظریه نسبیت خاص به دلیل در هم شکستن دیدگاه کلاسیک باعث شهرت این فیزیکدان گردید.
فرمول نظریه نسبیت خاص اینشتین
نظریه نسبیت خاص توسط اینشتین در سال ۱۹۰۵ و در مقاله‌ای تحت عنوان “الکترودینامیک در اجسام متحرک” منتشر شد. وی این نظریه را پس از پی بردن به وجود اختلافاتی بین معادلات الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول و قوانین حرکتی آیزاک نیوتن ارائه نمود. بر اساس نظریه ماکسول، نور ارتعاشی در میدان الکترومغناطیس است که با سرعتی ثابت در خلا حرکت می‌کند. بیش از ۱۰۰ سال قبل از آن نیز، نیوتن قوانین حرکتی خود را ارائه داده بود.
قرار دادن این نظریات در کنار عقاید گالیله، ثابت می‌کند که سرعت یک جسم متحرک تا چه اندازه می‌تواند متفاوت برآورد شود: بسته به اینکه چه کسی آن را اندازه می‌گیرد و آن فرد نسبت به جسم چه حرکتی دارد. توپی که در دست شما قرار دارد ممکن است از نظر شما ثابت باشد، حتی وقتی که شما درون ماشینی متحرک قرار دارید. اما همان توپ از نظر شخصی که در کنار پیاده رو ایستاده، متحرک می‌باشد.
فرض کنید شخصی در یک قطار ثابت نشسته و توپی را به سمت دیوار رو به روی خود و چند متر جلوتر از محل نشستن خود پرتاب می‌کند. شما، که در سکوی ایستگاه نشسته‌اید، سرعت حرکت توپ را برابر با سرعتی که خود شخص درون قطار محاسبه می‌کند، برآورد می‌نمایید. حال قطار شروع به حرکت می‌کند(در همان جهت حرکت توپ)، و شما مجددا سرعت توپ را اندازه گیری می‌کنید. شما این سرعت را به درستی بیشتر از قبل اندازه‌گیری می‌کنید(سرعت اولیه یعنی زمانی که قطار ثابت بود به علاوه سرعت رو به جلو قطار). در همین بین، فرد داخل قطار متوجه تغییری در سرعت حرکت توپ نخواهد شد. شما دو سرعت متفاوت برای حرکت توپ محاسبه کرده‌اید که هر دو از منظر دید شما صحیح می‌باشند.
حال اگر توپ را با نور جایگزین کنید، این محاسبات نتیجه‌ای متفاوت خواهد داشت. در صورتیکه فرد داخل قطار نوری را بر دیوار مقابل خود بتابد و سرعت ذرات نور(فوتون‌ها) را اندازه‌گیری نماید، شما و فرد داخل قطار متوجه خواهید شد که سرعت نور در هر حال ثابت بوده است. در هر شرایطی، سرعت حرکت فوتون‌ها کمتر از ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه بوده است، آنچنان که معادلات ماکسول نیز به همین نتیجه می‌رسد.
اینشتین این ایده- سرعت ثابت نور- را به عنوان یکی از دو شرط خود در نظریه نسبیت خاص در نظر گرفت. شرط دیگر این بود که قوانین فیزیک همه جا یکسان عمل می‌کنند، چه در هواپیما چه در کنار جاده و … اما برای ثابت نگه داشتن سرعت نور در هر زمان و از دید هر ناظر، در نسبیت خاص، فضا و زمان متغیر خواهند بود. به عنوان مثال زمان دیگر مطلق و ثابت نیست. عقربه‌های یک ساعت در حال حرکت آهسته‌تر از عقربه‌های ساعت ثابت، حرکت می‌کنند. از لحاظ تئوری، در صورت حرکت با سرعت نور، زمان از حرکت باز خواهد ایستاد.
میزان کند شدن زمان می‌تواند از طریق دو معادله فوق در تصویر محاسبه گردد. در سمت راست، Δt فاصله زمانی بین دو اتفاق از نظر شخص تحت تاثیر می‌باشد.(در مثال فوق، این شخص همان شخص داخل قطار است). در سمت چپ، Δt فاصله زمانی بین همان دو اتفاق از دید ناظر خارجی است(شخص نشسته در سکوی ایستگاه). این دو زمان با عامل لورنتس به هم مرتبط می‌شوند(γ)، که در این مثال برابر است با سرعت(v) قطار نسبت به سکوی ایستگاه که در واقع ثابت است. در این معادله، c ضریب ثابت و معادل سرعت نور در خلا می‌باشد.
طول اجسام متحرک نیز در جهت حرکت آنها کوتاهتر می‌شود. در صورت حرکت با سرعت نور(به طور فرضی، چرا که عملا غیر ممکن است) طول اجسام به صفر خواهد رسید. میزان کاهش طول در اجسام متحرک نسبت به اجسام ثابت نیز از تقسیم طول موثر جسم بر عامل لورنتس محاسبه می‌گردد. در صورتیکه جسمی بتواند با سرعت نور حرکت کند، طول آن به صفر خواهد رسید. لازم به ذکر است اگر شما فردی باشید که سریعتر و سریعتر حرکت می‌کند، متوجه هیچ تغییری نخواهید شد: گذر زمان برای شما مثل قبل خواهد بود و قد شما نیز کوتاهتر نخواهد شد.
اما فردی که از یک سکوی ثابت ناظر شما است، با استفاده از عامل لورنتس قادر به اندازه‌گیری تغییرات خواهد بود. اگرچه، برای اجسام و سرعت‌های روزمره، عامل لورنتس تقریبا عدد یک می‌باشد. تنها در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور است که آثار نسبیتی اهمیتی ویژه پیدا می‌کند. مشخصه ی دیگر در نظریه نسبیت خاص این است که با افزایش سرعت در یک جسم متحرک، جرم آن نیز افزایش می‌یابد. جرم جسم متحرک با ضرب کردن جرم آن جسم در حالت سکون در عامل لورنتس محاسبه می‌گردد. این افزایش جرم مانع از آن می‌گردد که انرژی مصرف شده جهت افزایش سرعت در جسم به صورت کامل صرف افزایش سرعت در آن شود.
با افزایش سرعت در جسم تا اندازه‌ای که به کسر قابل توجهی از سرعت نور(c) برسد، سهم انرژی مصرفی در افزایش جرم جسم نیز بیشتر و بیشتر می‌شود. این امر ثابت می‌کند که چرا هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند، و یا حتی با سرعتی مساوی و یا نزدیک به سرعت نور. در واقع، وارد کردن انرژی بیشتر به جسم باعث افزایش سرعت در آن جسم نخواهد شد بلکه تنها جرم آن را افزایش خواهد داد. جرم و انرژی یکی هستند؛ این نتیجه، عمیقا حائز اهمیت است. اما این خود داستانی دیگر است.
