در دهه اول قرن بيستم انقلابي در فلسفه علوم طبيعي پيش آمد که بسياري آن را از حيث عمق معنا و درهم ريزي احکام موجود پذيرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنيکي - گاليله‌اي ، برتر به شمار مي‌آورند. در اين فاصله زماني دو نظريه بسيار مهمي پا به عرصه رقابت نهادند ، نظريه نسبيت و کوانتمي که نسبت به کارهاي دانشمندان پيشين از جمله ماکسول ، سارين ، کلوين و کلاوزيوس به نحو چشمگيري متفاوت بودند. اين نظريه‌هاي جديد با مکانيک نيوتوني نيز در بعضي از اصول و فرضهاي بنيادي اختلاف شديدي داشتند.

اين نظريه علاوه بر اين که در برگيرنده پيچيدگي هاي رياضي است، تصور ذهني و فهم آن ، بسيار دشوار است. البته شايان ذکر است که انيشتين در مقاله 1905 خود که براي اولين بار به نسبيت خاص خود پرداخت، از معادلات رياضي ساده استفاده کرد. اما در مقاله 1919 که به نسبيت عام پرداخت ، بر خلاف مقاله پيشين از فرمولهاي پيجيده رياضي استفاده کرد. نسبيت از ريشه نسبي گرفته شده است ، يعني هر کدام از واحدهاي فيزيکي شناخته شده براي توصيف پديده‌هاي طبيعي ، نسبي هستند. به عبارت ديگر مي‌توان گفت که بر اساس نسبيت ، جرم ، سرعت ، شتاب و حتي زمان که براي ما تعريف مي‌شوند، نسبي هستند.

نسبيت خاص
در سال 1905 ميلادي، آلبرت انيشتين (1955_1879)، دانشمند آمريکايي آلماني تبار، نظريه نسبيت خاص خود را منتشر نمود. طبق اين نظريه تنها چيزي که در جهان ثابت است سرعت نور در خلا بوده و تمام چيزهاي ديگر مانند سرعت، طول، جرم و گذشت زمان مطابق با چهارچوب مرجع(ديدگاه خاص) شخص، تغيير مي کنند
در حالت عادي اگر دو جسم با سرعت  هاي  v1 وv2((v1>v2 در حال حرکت باشند سرعت جسم اول نسبت به جسم دوم برابر v1-v2 مي باشد .مثلا اگر شما در قطاري باشيد که با سرعت 100km/h در حال حرکت مي باشد اگر قطاري با سرعت150km/h از کنار شما بگذرد، شما سرعت آن را 50km/h احساس مي کنيد و با هر وسيله ي اندازه گيري موجود در قطار خودتان سرعت قطار دوم را اندازه بگيريد همتن عدد را نشان مي دهد.ولي اگر قطار دوم با سرعت نور و قطار شما با 99 درصد سرعت نور حرکت کند ديگرقطار دوم با سرعت  v2-v1از شما دور نمي شود بلکه سرعت دور شدن آن نسبت به شما همان سرعت نور ياC≈3*108 مي باشد.به عبارت ديگر سرعت نور دست نيافتني است.
با اين نظريه تعدادي از مسائل که مدتها فيزيکدانان را به خود مشغول کرده بودند، حل شدند. معادله معروف اين نظريه E=MC2 است که در آن انرژي (E) برابر است با حاصلضرب جرم (M) در مجذرو سرعت نور (C).

نظريه نسبيت عام
نسبيت عام براي حرکت هايي ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغيير مي کند يا به اصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمين g که همان عدد 9.81m/s است نيز يک نوع شتاب است. پس نسبيت عام با شتا ب ها کار دارد نه با حرکت. يا به عبارت ديگر نظريه‌اي است راجع به اجرامي که شتاب ثقل دارند. کلا هر جا در عالم ، جرمي در فضاي خالي باشد حتما يک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددي آن وابسته به جرم آن جسم مي‌باشد. پس در اطراف هر جسمي شتابي وجود دارد.

نسبيت عام با اين شتابها سر و کار دارد و بيان مي‌کند که هر جسمي که از سطح يک سياره دور شود زمان براي او کندتر مي‌شود. يعني مثلا ، اگر دوربيني روي ساعت من بگذارند و از عقربه‌هاي ساعتم فيلم زنده بگيرند و روي ساعت آدمي که دارد بالا ميرود و از سياره زمين جدا مي‌شود هم دوربيني بگذارند و هر دو فيلم را کنار هم روي يک صفحه تلويزيوني پخش کنند، ملاحظه خواهيم کرد که ساعت من تندتر کار مي‌کند. نسبيت عام نتايج بسيار عجيب و قابل اثبات در آزمايشگاهي دارد. مثلا نوري که به اطراف ستاره‌اي سنگين مي‌رسد کمي به سمت آن ستاره خم مي‌شود. سياهچاله‌ها هم بر اساس همين خاصيت است که کار مي‌کنند. جرم آنها به قدري زياد و حجمشان به قدري کم است که نور وقتي از کنار آنها مي‌گذرد به داخل آنها مي‌افتد و هرگز بيرون نمي‌آيد.درک اين نظريه چنان سخت بود که تا قبل از اثبات عملي آن کسي به جز خود انيشتين به درست بودن اين نظريه اطمينان نداشت. پس از يک کسوف(که بعدا به توضيح آن مي پردازيم) و اثبات نظريه ي او يک دانشجو از وي پرسيد:«اگر آزمايش جواب منفي مي داد شما چه جوابي مي داديد؟» و انيشتين پاسخ داد:«در اين صورت من براي خداي بزرگ تاسف مي خوردم ، ولي اين نظريه درست است»
همه ما براي يک بار هم که شده گذرمان به ساعت ‌فروشي افتاده است و ساعت هاي بزرگ و کوچک را ديده ايم که روي ساعت ده و ده دقيقه قرار دارند. ولي هيچ گاه از خودمان نپرسيده‌ايم چرا؟ آلبرت انيشتين در نظريه نسبيت خاص با حرکت شتابدار و يا با گرانش کاري نداشت. اينيشتين در سال 1919 ، با ترميم و تعميم نسبيت خود ، نسبيت عام را مطرح کرد. نسبيت عام برخلاف نسبيت خاص ، در بر گيرنده معادلات و پيچيدگيهاي رياضي بود. يکي از پيش بينيهاي اين نظريه آن بود که ساعتها در ميدان گرانشي بسيار قوي ، کندتر کار مي‌کنند و همچنين نور در ميدان گرانشي بسيا قوي ، در مسير مستقيم خود منحرف مي‌شوند.

اين نظريه توانست به بسياري از معماهاي کيهان شناسي در مورد سياهچاله ، عمر کرات و سيارات ، انرژي ستاره‌ها و کهکشانها ، چگالي جهان و ... پاسخ دهد. به اعتقاد وي تأثيرات جاذبه و شتاب جدايي ناپذير بوده و بنابراين باهم برابرند. او همچنين نحوه ارتباط نيروهاي جاذبه به انحناي فضا _ زمان را تشريح نمود.

انحناي فضا _ زمان
انيشتن با استفاده از قوانين رياضي نشان داد که چگونه هر جسمي ، به فضا _ زمان اطراف خود انحنا مي‌بخشد. در مورد بعضي اجسام ، مثل ستارگان که جرم نسبتا زيادي دارند، اين انحنا مي‌تواند باعث تغييراتي در مسير هر چيز که از کنار آن مي‌گذرد شود، و نور نيز از اين قاعده مستثني نمي‌باشد. اين نظريه با چارچوبهاي نالخت سر و کار دارد و در کيهان شناسي و گرانش کاربرد دارد. فرض اساسي نسبيت عام اين است که تمام دستگاههاي مختصات که در حالتهاي حرکت اختياري هستند، براي بيان رياضي قوانين فيزيک بايد به يک اندازه مناسب باشند. بنابراين ، بايد براي نوشتن قوانين فيزيک روشهايي يافت، به طوري که تحت هر تبديل مختصات دلخواه ، تغييري در شکل آنها حاصل نشود.
نقش تساوي جرم گرانشي و جرم لختي
نقش تساوي جرم گرانشي و جرم لختي در پيشرفت نسبيت مساوي بودن جرم گرانشي و جرم لختي نقش اساسي در پيشرفت تاريخي نسبيت عام داشت. منشأ تساوي مزبور در اين نکته است که قانون دوم نيوتن f = ma براي شتاب هاي گرانشي در ميدان گرانشي با شدت g ، بصورت mGg = mAa در مي‌آيد. چون مشاهده مي‌شد که در يک ميدان گرانشي هر اشياء به يک ميزان شتاب مي‌گيرند، يعني g = a انيشتين به تحقيق دريافت که گرانش اساسا يک پديده سينماتيکي است که شامل تغيير در مختصات فضا و زمان در همسايگي منبع ميدان گرانشي است.



نظريه نسبيت عام در کيهان شناسي و نجوم
ظهور نظريه نسبيت عام ديد گرانشي را به کلي تغيير داد و در اين نظريه جديد نيروي گرانش را مانند خاصيتي از فضا در نظر گرفت نه مانند نيرويي بين اجرام ، يعني برخلاف آنچه که اسحاق نيوتن گفته بود. در نظريه او فضا در مجاورت ماده کمي انحنا پيدا مي‌کرد. در نتيجه حضور ماده اجرام ، مسير يا به اصطلاح کمترين مقاومت را در ميان منحنيها اختيار مي‌کردند. با اينکه فکر آلبرت انيشتين عجيب به نظر مي‌رسيد مي‌توانست چيزي را جواب دهد که قانون ثقل نيوتن از جواب دادن آن عاجز مي‌ماند. سياره اورانوس در سال 1781 ميلادي کشف شده بود و مدارش به دور خورشيد اندکي ناجور به نظر مي‌رسيد و يا به عبارتي کج بود!

نيم قرن مطالعه اين موضوع را خدشه ناپذير کرده بود. بنابر قوانين اسحاق نيوتن مي‌بايست جاذبه‌اي برآن وارد شود. يعني بايد سياره‌اي بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نيرويي بر اورانوس وارد شود. در سال 1846 ميلادي اختر شناس آلماني دوربين نجومي خودش را متوجه نقطه‌اي کرد که لووريه گفته بود و بي هيچ ترديد سياره جديدي را در آنجا ديد که از آن پس نپتون نام گرفت. نزديکترين نقطه مدار سياره عطارد به خورشيد در هر دور حرکت ساليانه سياره تغيير مي‌کرد و هيچگاه دو بار پشت سر هم اين تغيير در يک نقطه خاص اتفاق نمي‌افتاد.

اختر شناسان بيشتر اين بي نظمي‌ها را به حساب اختلال ناشي از کشش سياره‌هاي مجاور عطارد مي‌دانستند! مقدار اين انحراف برابر 43 ثانيه قوس بود. اين حرکت در سال 1845 بوسيله لووريه کشف شد، بالاخره با ارائه نظريه نسبيت عام جواب فراهم شد. اين فرضيه با اتکايي که بر هندسه نا اقليدسي داشت نشان داد که حضيض هر جسم دوران کننده حرکتي دارد علاوه برآنچه اسحاق نيوتن گفته بود.
وقتي که فرمولهاي آلبرت انيشتين را در مورد سياره عطارد بکار بردند، ديدند که با تغيير مکان حضيض اين سياره سازگاري کامل دارد.

سياره‌هايي که فاصله شان از خورشيد بيشتر از فاصله تير تا آن است تغيير مکان حضيضي دارند که به طور تصاعدي کوچک مي‌شوند. اثر بخش‌تر از اينها دو پديده تازه بود که فقط نظريه آلبرت انيشتين آن را پيشگويي کرده بود. نخست آنکه آلبرت انيشتين معتقد بود که ميدان گرانشي شديد موجب کند شدن ارتعاش اتمها مي‌شود و گواه بر اين کند شدن تغيير جاي خطوط طيف است به طرف رنگ سرخ!

انتقال به سرخ
يعني اينکه اگر ستاره‌اي بسيار داغ باشد و به طوري که محاسبه مي‌کنيم بگوييم که نور آن بايد آبي درخشان باشد، در عمل سرخ رنگ به نظر مي‌رسد. کجا برويم تا اين مقدار قواي گرانشي و حرارت بالا را داشته باشيم، پاسخ مربوط به کوتوله‌هاي سفيد است. دانشمندان به بررسي طيف کوتوله‌هاي سفيد پرداختند و در حقيقت تغيير مکان پيش بيني شده را با چشم ديدند! اسم اين را تغيير مکان آلبرت انيشتيني گذاشتند.
 


خمش نور در ميدان گرانشي
 آلبرت انيشتين مي‌گفت که ميدان گرانشي شعاع هاي نور را منحرف مي‌کند، چگونه ممکن بود اين مطلب را امتحان کرد. اگر ستاره‌اي در آسمان آن سوي خورشيد درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف ، خورشيد قابل رؤيت باشد، اگر وضع آنها را با زماني که فرض کنيم خورشيدي در کار نباشد مقايسه کنيم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعي که انگشت دستتان را جلوي چشمتان در فاصله 8 سانتيمتري قرار دهيد و يکبار فقط با چشم چپ و بار ديگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنيد، به نظر مي‌رسد که انگشت دستتان در مقابل زمينه پشت آن تغيير جا مي‌دهد، ولي واقعا انگشت شما که جابجا نشده است!
دانشمندان در موقع کسوف در جزيره پرنسيپ پرتغال واقع در آفريقاي غربي ديدند که نور ستاره‌ها بجاي آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشيد و در اثر نيرو ي گرانشي آن خم مي‌شوند و بصورت منحني در مي‌آيند. يعني ما وضع ستاره‌ها را کمي بالاتر از محل واقعيش مي‌بينيم. ماهيت تمام پيروزي هاي نظريه نسبيت عام آلبرت انيشتين نجومي بود، ولي دانشمندان حسرت مي‌کشيدند که اي کاش راهي براي امتحان آن در آزمايشگاه داشتند. البته اخيرا چندين آزمايش عملي براي آزمون اين نظريه به توسط دانشمندان فيزيک و کيهان شناسي ساخته شده است.

اصل عدم قطعيت هايزنبرگ
در هر شاخه‌اي از علوم قواعد و قوانين خاصي وجود دارند که صحت و درستي اين قوانين بدون اثبات پذيرفته مي‌شود. اينگونه قواعد را اصل مي‌نامند. بنابراين در هر علمي ‌تعدادي اصل علمي ‌وجود دارد که براي متخصصين آن علم بطور کامل آشنا هستند. به ‌عنوان مثال آلبرت انيشتين در بيان نظريه نسبيت خاص خود ، ثبات سرعت نور در تمام چارچوب‌هاي لخت را به عنوان يک اصل مي‌پذيرد. بيشترين کاربرد اصول در اثبات روابط و خصوصيات ديگري است که بعدا بيان مي‌شود. اصل عدم قطعيت يک نمونه ‌از هزاران اصلي است که در علم فيزيک وجود دارد.

پيدايش عدم قطعيت
در اوايل قرن نوزدهم ، موفقيت نظريه‌هاي علمي ، "مارکي دو لاپلاس" را متقاعد ساخته بود که جهان به طور دربست از جبر علمي پيروي مي‌کند. وي معتقد بود اگر وضعيت جهان در لحظه‌اي معين از زمان ، کاملا معلوم باشد، مي‌توان وضعيت آن را در زمانهاي بعدي نيز به راحتي با قوانين علمي پيش بيني نمود. به طور مثال ، اگر وضعيت خورشيد و ساير سيارات منظومه شمسي را در زماني معين داشته باشيم، مي‌توانيم وضعيت منظومه شمسي را در هر زمان دلخواه توسط قوانين گرانش نيوتون پيش بيني کنيم.

اين مسئله ، در مکانيک کلاسيک کاملا بديهي به نظر مي‌رسد و مي‌توان آن را به راحتي اثبات نمود. اما لاپلاس از اين هم فراتر رفت و گفت اين مسئله براي تمامي پديده‌ها از جمله رفتار بشر صادق است و قوانين مشابهي وجود دارد که تمام پديده‌هاي جهان را پيش بيني مي‌کند. با اينکه اين مطلب با مخالفت بسياري از افراد که مي‌پنداشتند اين ديدگاه به آزادي خداوند در دخالت در امور جهان خدشه وارد مي‌کند روبرو شد، اما تا اوايل قرن حاضر ، اين فرض ، تنها فرض مورد قبول اهل علم باقي ماند.

بعد از اينکه دوبروي نظريه خود مبني بر انتساب موج به ذرات مادي را بيان کرد، اين امواج تا اندازه‌اي نامفهوم بودند. همچنين در اين زمان سوال ديگري مطرح بود، مبني بر اينکه قوانين مکانيک کوانتومي ‌چه تاثيري بر مفاهيم مکانيک کلاسيک دارند. هايزنبرگ اشکال را از سرچشمه آن مورد نظر قرار داد، يعني دستورها و روشهاي معمولي مشاهده را در مورد پديده‌هايي با مقياس اتمي‌ به کار برد. در تجربيات روزانه ، مي‌توانيم هر پديده‌اي را مشاهده کنيم و خواص آن را اندازه بگيريم، بدون آن که پديده مورد نظر را تحت تاثير قرار دهيم. در دنياي اتم هرگز نمي‌توانيم اختلال و آشفتگي را که حاصل از دخالت دادن وسايل اندازه گيري است، مورد بررسي قرار دهيم. انرژي‌ها در اين مقياس به اندازه‌اي کوچک هستند که حتي در اندازه گيري که با حداکثر آرامش انجام گرفته ، ممکن است آشفتگي هاي اساسي در پديده مورد آزمايش پديد آورد و نمي‌توان مطمئن بود که نتايج اندازه گيري واقعا آنچه را در نبودن وسايل اندازه گيري روي مي‌داد، توصيف مي‌کند. ناظر و وسيله ‌اندازه گيري يک قسمت از پديده را مورد بررسي هستند.

اصولا چيزي به‌ عنوان پديده فيزيکي به خودي خود وجود ندارد. در همه حالات ، يک عمل متقابل کاملا اجتناب‌ناپذير ميان ناظر و پديده وجود دارد. هايزنبرگ اين موضوع را از طريق ملاحظه مسئله دنبال کردن يک ذره مادي متصور ساخت. در جهان ماکروسکوپيک مي‌توانيم حرکت يک توپ پينگ پنگ را ، بدون آنکه مسير آن را تحت تاثير قرار دهيم، تعقيب کنيم. اما در مورد مسير حرکت يک الکترون هرگز وضع به همين منوال نيست و تعقيب الکترون بدون متاثر ساختن مسير حرکت تقريبا غير ممکن است و همين امر سبب ايجاد يک عدم قطعيت در مشاهدات ما مي‌گردد.