27 กันยายน 2448 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักวิทยาศาสตร์เอกของโลก เผยแพร่บทความเรื่อง “Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content ?” (“จริงหรือไม่ที่ความเฉื่อยขึ้นอยู่กับพลังงานภายในของวัตถุ”) ซึ่งได้นำเสนอสมการก้องโลก E=mc2 สมการนี้แสดงความสัมพัทธ์ระหว่างมวลและพลังงาน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพ
ในช่วงเวลานั้นโลกฟิสิกส์เชื่อในหลักคิดเรื่องความเร็วสัมพัทธ์ของกาลิเลโอกับหลักเวลาและอวกาศสัมบูรณ์ของนิวตัน กาลิเลโอบอกว่าไม่มีวิธีทางฟิสิกส์ใดที่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่กับวัตถุที่หยุดนิ่งได้ การเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นความเร็วสัมพัทธ์ทั้งสิ้น คนที่นั่งบนเรือเห็นว่าเรือหยุดนิ่งแต่คนบนฝั่งเห็นว่าเรือเคลื่อนที่ หรือคนที่ขับรถอยู่เห็นรถคันที่วิ่งสวนมามีความเร็วมากกว่าความเร็วของรถคันเดียวกันที่คนยืนบนพื้นดินมองเห็น หากเปรียบเทียบทำนองเดียวกันคนที่อยู่บนเครื่องบินเจ็ตก็ย่อมเห็นแสงที่วิ่งสวนทางมามีความเร็วสูงกว่าคนที่อยู่บนพื้นโลก ส่วนนิวตันนั้นคิดว่าเวลามีค่าเท่ากันเสมอไม่ว่าผู้วัดจะเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง อวกาศ (พิกัด – ระยะทาง) ก็เป็นเช่นเดียวกัน และเวลากับอวกาศแยกจากกันโดยสมบูรณ์ไม่เกี่ยวข้องกัน
บทความชิ้นที่สามของไอน์สไตน์ในชื่อพลศาสตร์ไฟฟ้าของวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ ต่อมาเรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ได้เสนอแนวคิดใหม่ที่แตกต่างจากหลักคิดของนิวตันไปโดยสิ้นเชิง โดยมีสมมติฐานสำคัญอยู่ที่ความเร็วของแสงในอวกาศเท่ากันทุกผู้สังเกตไม่ว่าจะเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง และไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงอีกด้วย เวลาและอวกาศเป็นปริมาณสัมพัทธ์เปลี่ยนแปลงตามผู้สังเกตและมีความเชื่อมโยงกันแบบแยกจากกันโดยสมบูรณ์ไม่ได้ กลายเป็นโครงสร้างแบบ 4 มิติคือ 3 มิติของระยะทาง (กว้าง-ยาว-สูง) และ 1 มิติของเวลา แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษก็มิได้ขัดแย้งกับกฎของนิวตันในกรณีที่มีความเร็วไม่สูงมากนัก ผลของทฤษฎีนี้เกิดสิ่งเหลือเชื่อที่ไม่มีใครคาดคิดมาก่อนหลายอย่าง เช่น การยืดออกของเวลา การหดสั้นของความยาว ไม่มีวัตถุใดที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสง ฯลฯ ซึ่งขัดกับความรู้สึกของคนโดยทั่วไป แม้แต่ไอน์สไตน์เองยังบอกว่าตอนที่ความคิดเรื่องนี้ผุดเข้ามาตอนแรกเขายังสับสนอยู่หลายสัปดาห์ อย่างไรก็ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้รับการพิสูจน์ยืนยันในเวลาต่อมา ปี 1971 Joseph Hafele และ Richard Keating ทำการทดลองโดยนำนาฬิกาอะตอมที่ละเอียดและแม่นยำสูงมากขึ้นเครื่องบินบินรอบโลกสองเที่ยว พบว่านาฬิกาบนเครื่องบินเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่บนพื้นโลกจริงและสอดคล้องกับการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพ ระบบ GPS ที่ใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันซึ่งใช้การส่งสัญญาณจากดาวเทียมที่โคจรรอบโลก 24 ดวงนั้นต้องมีการปรับแก้ค่าเวลาตามทฤษฎีสัมพัทธภาพมิฉะนั้นจะไม่มีความแม่นยำเลย
บทความชิ้นที่สี่เหมือนเป็นภาคผนวกของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เป็นเรื่องความสมมูลระหว่างมวลและพลังงานซึ่งเป็นที่มาของสมการที่โด่งดังที่สุดในโลก E = mc2 ซึ่ง E คือพลังงาน, m คือมวล และ c คือความเร็วแสงในสูญญากาศ โดยนัยของสมการนี้มวลสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานได้ พลังงานก็สามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นอนุภาคได้เช่นกัน มวลนิดเดียวสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล ผลจากสมการนี้ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงแบบพลิกโลก มีเทคโนโลยีใหม่เกิดขึ้นอย่างมากมายมหาศาล เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ เครื่องมือทางการแพทย์ ระบบสื่อสารโทรคมนาคมผ่านทางดาวเทียม การหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสี รวมไปถึงการคิดค้นระเบิดปรมาณูและพลังงานนิวเคลียร์
ปี 1905 ไอน์สไตน์ยังมีผลงานสำคัญอีกชิ้นหนึ่งเป็นวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่เสนอต่อมหาวิทยาลัยซูริคเรื่องวิธีการใหม่ในการคำนวณขนาดของโมเลกุล ซึ่งทำให้เขาเป็นคนแรกที่คำนวณเลขอาโวกาโดร (จำนวนโมเลกุลของก๊าซ 1 โมลที่ความดันและอุณหภูมิปกติ) ได้ถูกต้องเป็นคนแรก เป็นผลงานทางวิชาการที่มีประโยชน์และมีการอ้างอิงมากที่สุดชิ้นหนึ่ง ปี 1905 จึงเป็นปีที่มหัศจรรย์ยิ่งของไอน์สไตน์และโลกวิทยาศาสตร์ ขณะที่ตอนนั้นเขามีอายุแค่ 26 ปี
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันอธิบายและคำนวณวงโคจรของดาวเคราะห์และวัตถุอื่นรอบดวงอาทิตย์รวมทั้งการเกิดน้ำขึ้น-น้ำลงได้เป็นอย่างดี ต่อมาสามารถใช้กฎความโน้มถ่วงของนิวตันในการส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลก ส่งยานอวกาศไปสำรวจดาวเคราะห์ต่างๆและส่งมนุษย์ไปลงดวงจันทร์จนสำเร็จมาแล้ว แต่มีเรื่องหนึ่งที่กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้กลายเป็นรอยด่างและปัญหาคาใจนักฟิสิกส์มานานนับศตวรรษคือการโคจรของดาวพุธซึ่งมีลักษณะพิเศษเป็นวงรีที่มีการส่าย ตำแหน่งดาวพุธอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุดจะเคลื่อนไปเล็กน้อยตลอด นักฟิสิกส์ในยุคนั้นตั้งสมมติฐานว่าอาจมีดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากกว่าดาวพุธส่งแรงโน้มถ่วงมาทำให้ดาวพุธเกิดการส่ายอย่างที่สังเกตได้ ตั้งชื่อดาวเคราะห์ดวงนี้ว่าดาววัลแคน (Vulcan) แต่ไม่มีผู้ใดค้นพบ
ปี 1915 ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งเป็นการขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่ใช้ได้กับการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วสม่ำเสมอเท่านั้นให้ครอบคลุมการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งและอยู่ภายในสนามโน้มถ่วงด้วย โดยใช้เรขาคณิตของ Bernhard Riemann และ Carl Gauss เป็นพื้นฐาน แต่ก่อนที่เขาจะทำสำเร็จเขาต้องปล้ำกับปัญหาด้านคณิตศาสตร์อย่างหนัก จนต้องให้ Grossmann เพื่อนเก่าสมัยเรียนที่ตอนนั้นเป็นอาจารย์สอนคณิตศาสตร์ที่วิทยาลัยโพลีเทคนิคที่เมืองซูริคช่วยเหลือ ไอน์สไตน์มีแนวคิดใหม่ว่าจักรวาลหรือเอกภพประกอบขึ้นด้วยมวลและพลังงานซึ่งเป็นตัวกำหนดมิติของกาลอวกาศ (Spacetime) แรงดึงดูดระหว่างมวลเป็นผลจากการโค้งงอของกาลอวกาศที่เกิดจากมวลและพลังงาน มีรูปร่างลักษณะเป็นไปตามสมการคณิตศาสตร์อันซับซ้อนที่เขาคิดค้นขึ้น ดวงอาทิตย์ที่มีมวลมหาศาลก่อให้เกิดความโค้งของกาลอวกาศรอบตัวมัน ดาวเคราะห์และวัตถุต่างๆเคลื่อนที่หรือโคจรตามความโค้งของกาลอวกาศรอบดวงอาทิตย์ การคำนวณวงโคจรของดาวพุธด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้ผลตรงกับที่สังเกตได้จริง ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้พบปรากฏการณ์ใหม่อีกหลายอย่าง เช่น แสงเดินทางเป็นเส้นโค้งเมื่อผ่านความโค้งของกาลอวกาศ เวลาช้าลงจากความโน้มถ่วง คลื่นความโน้มถ่วง หลุมดำ ฯลฯ
ไอน์สไตน์คิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยใช้เพียงคณิตศาสตร์และจินตนาการ ไม่มีการทดลองใดชี้นำ มีเพียงการทดลองทางความคิดของเขาเองเท่านั้น ดังนั้นในช่วงแรกจึงไม่มีใครเชื่อและเห็นว่าไม่มีประโยชน์เพราะไม่มีการทดลองใดๆมาสนับสนุนคำทำนายของทฤษฎี จนกระทั่งปี 1919 Arthur Eddington ได้พิสูจน์ด้วยการวัดแสงดาวที่ถูกดวงอาทิตย์บดบังขณะเกิดสุริยุปราคาแล้วพบว่าแสงดาวเดินทางเป็นเส้นโค้งที่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เหตุการณ์ที่ตามมาคือหนังสือพิมพ์ The Times พาดหัวข่าวหน้าหนึ่งว่าทฤษฎีของนิวตันที่โลกได้ใช้มานานกว่าสองศตวรรษได้ถูกปรับปรุงเป็นครั้งแรกโดยไอน์สไตน์จนฮือฮาไปทั่วโลก หลังจากนั้นมีการทดลองพิสูจน์กันอีกหลายครั้งผลที่ออกมาล้วนสนับสนุนทฤษฎีของไอน์สไตน์ ยังไม่เคยมีครั้งใดที่พิสูจน์ได้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปผิด
นอกจากจะสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้แล้ว ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังสามารถอธิบายประวัติความเป็นมาและอนาคตของเอกภพ รวมถึงหลุมดำ การขยายตัวของเอกภพ การเดินทางย้อนเวลา การมีสสารมืด ฯลฯ ได้ด้วย Paul Dirac หนึ่งในผู้คิดค้นกลศาสตร์ควอนตัมเคยกล่าวว่า “ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจถือว่าเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา”
