Thuyết tương đối đặc biệt

Xuất phát từ những vấn đề của lý thuyết Ê te và phương trình Maxwell trong thế kỷ XIX, thuyết tương đối hẹp dần hình thành từ những dấu mốc chính sau:[4]

• Thí nghiệm Michelson-Morley thực hiện năm 1887, được coi là thí nghiệm đầu tiên phủ định giả thuyết bức xạ điện từ truyền trong môi trường giả định ê-te.[5]
• Giả thuyết độ dài co ngắn nêu bởi George FitzGerald (1889) và Hendrik Antoon Lorentz (1892)nhằm giải thích các kết quả của thí nghiệm Michelson - Morley.[4]
• Phép biến đổi Lorentz do Lorentz (1892, 1899) và Joseph Larmor (1897) nêu ra, trong đó thời gian là một tọa độ biến đổi như không gian, và việc không phát hiện được sự trôi ête có thể giải thích bằng phép biến đổi này.[4]
• Henri Poincaré phát biểu nguyên lý tương đối (1900, 1904), tốc độ ánh sáng là hằng số (1898, 1904), tính tương đối của sự đồng thời (1898, 1900), mặc dù ông vẫn ủng hộ quan điểm tồn tại Ête.[4][5]
• Đạt tới tính hiệp biến đầy đủ của các phương trình cơ bản của điện động lực học bởi Lorentz (1904) và Poincaré (1905) trong lý thuyết Lorentz về Ête.[4]

Cuối cùng Albert Einstein (1905) đưa ra thuyết tương đối hẹp bằng diễn giải sáng sủa về toàn bộ lý thuyết dựa trên nguyên lý tương đối và tiên đề tốc độ ánh sáng không đổi, ông loại bỏ khái niệm Ête khi xem xét lại bản chất của không gian, thời gian và liên hệ của chúng với hệ quy chiếu quán tính. Quan điểm động lực của Lorentz và Poincaré được thay thế bằng quan điểm động học của Einstein. Mô hình toán học của lý thuyết tương đối hẹp hoàn thiện đầy đủ khi Hermann Minkowski (1907) thêm thời gian vào thành tọa độ thứ tư trong cách biểu diễn không gian Minkowski.[6]

Thuyết tương đối rộng

Đã có một số các nhà khoa học đóng góp vào sự phát triển của thuyết tương đối hẹp và cuối cùng với các bài báo Einstein công bố vào năm 1905 đưa đến lý thuyết hoàn thiện đồng thời ông cũng mở ra sự phát triển mới cần thiết của thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối rộng hầu như do một mình Einstein phát triển khi ông nghiên cứu những ý nghĩa vật lý cơ bản và mối liên hệ giữa hình học và vật lý.[7]

Sự phát triển này bắt đầu từ năm 1907, với "ý tưởng hạnh phúc nhất trong đời" của Einstein, đó là nguyên lý tương đương về sự tương đương giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. Từ nguyên lý này có thể suy ra được hiệu ứng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn và đường đi của ánh sáng bị lệch trong trường hấp dẫn cũng như độ trễ thời gian của tia sáng, hay độ trễ Shapiro. Năm 1911, ông đã có thể tính được sơ bộ độ lệch tia sáng là bao nhiêu. Trong thời gian này ông cũng đề xuất rằng có thể đo được độ lệch rất nhỏ này từ các ngôi sao ở xa khi ánh sáng đi gần Mặt Trời. Tuy vậy, giá trị tính toán lúc đầu của ông chỉ bằng một nửa giá trị đúng của độ lệch.[8]

Trong quá trình nghiên cứu, Einstein nhận ra cách biểu diễn không thời gian bằng không gian Minkowski có vai trò rất quan trọng đối với lý thuyết mới. Lúc này ông cũng nhận thức rõ ràng rằng hình học Euclid không còn phù hợp khi tính tới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Năm 1913, ông bắt đầu sử dụng hình học phi Euclid được phát triển trong thế kỷ XIX cho lý thuyết của mình với sự trợ giúp từ người bạn và là nhà toán học Marcel Grossmann, nhưng vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn, tức là miêu tả được mọi định luật của tự nhiên trong mọi hệ quy chiếu. Ông cuối cùng vượt qua được vấn đề này vào tháng 11 năm 1915 sau nhiều lần thất bại, và Einstein đi đến được dạng đúng của phương trình trường hấp dẫn. Hầu như đồng thời với ông, nhà toán học David Hilbert cũng tìm ra được phương trình trường nhờ phương pháp biến phân. Dựa vào kết quả này, Einstein đã tính đúng ra sự dịch chuyển của điểm cận nhật của Sao Thủy, và giá trị độ lệch của tia sáng bằng 2 lần giá trị ông tìm ra vào năm 1911. Năm 1919, giá trị này đã được xác nhận trong lần nhật thực toàn phần và đưa đến sự thành công của lý thuyết tương đối tổng quát cũng như gây sự chú ý đối với thế giới.[9]

Sau đó, nhiều nhà vật lý đã tìm ra các nghiệm chính xác của phương trình trường cũng như giới thiệu các kỹ thuật nghiên cứu mới, đưa đến nhiều mô hình vũ trụ học và kết quả kì lạ như sự tồn tại của lỗ đen.

Các lý thuyết mở rộng

Với lý thuyết mới coi bản chất của lực hấp dẫn như một hiệu ứng hình học, các nhà vật lý đặt câu hỏi liệu những lực cơ bản khác, như lực điện từ có là do hiệu ứng hình học. Theodor Kaluza (1921) và Oskar Klein (1926) đã mở rộng thuyết tương đối rộng để nghiên cứu thêm lực điện từ bằng cách thêm một chiều nữa vào không thời gian bốn chiều để có không gian năm chiều, mà một chiều có kích cỡ vi mô ẩn giấu dưới cảm nhận thông thường. Tuy nhiên, lý thuyết của họ đã không thành công. Thậm chí Einstein đã dành phần lớn thời gian nghiên cứu khoa học của nửa cuộc đời còn lại để nghiên cứu lý thuyết trường thống nhất nhưng ông cũng đã không thành công.[10]

Một trong những lý do thất bại của Einstein đó là, ở thời điểm của ông, cộng đồng các nhà vật lý chưa hiểu rõ hết bản chất của hai lực cơ bản còn lại: tương tác mạnh và tương tác yếu. Cùng với sự phát triển của lý thuyết trường lượng tử, lý thuyết Kaluza-Klein đã được khôi phục lại khi các nhà vật lý dựa trên ý tưởng không thời gian có nhiều hơn bốn chiều như vẫn thường thấy. Ngày nay, hầu hết các lý thuyết nhằm thống nhất thuyết tương đối với cơ học lượng tử bao gồm lý thuyết dây có cơ sở dựa trên không thời gian nhiều chiều, với sáu hoặc bảy chiều ẩn giấu ở phạm vi độ dài Planck.[11]