Çağdaş fiziğin en önemli kuramlarından biri olan görelilik kuramını, 20. yüzyılın başlarında büyük bilim adamı Albert Einstein ortaya koymuştur. Einstein’in kuramı batı dillerinde rölativite adıyla bilinir. Bu terim önce izafiyet, sonra bağıllık, görecelik ve görelilik gibi çeşitli karşılıklarla dilimize aktarılmıştır. Aslında bütün bu sözcükler, “evrende hiçbir şeyin kesin ve mutlak olmadığını, kişiye, zamana ve yere göre değiştiğini” anlatmak için kullanılır. En basite indirgenmiş biçimiyle Einstein’in görelilik kuramının özü de bu tanımda yatar. Örneğin bir gökcisminin dolanım süresi, Dünya’daki gözlemciye “göre” tanımlanmış, mutlak olmayan bir zaman dilimidir. Aynı süre başka bir gezegendeki gözlemci için Dünya’daki ölçümünden daha kısa ya da daha uzun olabilir. Görelilik kuramının öngördüğü sonuçları günlük yaşamda algılamamız olanaksızdır; ama ışık hızına yaklaştıkça uzunlukların kısalması, saatlerin yavaşlaması, kütlenin değişmesi gibi çarpıcı sonuçlar bu kuramı doğrular.
Einstein bu ünlü kuramını iki bölüm halinde ve 10 yıl arayla yayımlamıştır. 1905 yılında bilim dünyasına sunduğu ilk kuram özel görelilik adıyla bilinir. Çünkü bu çalışmasında yalnızca düzgün doğrusal hareket yapan sistemleri incelemişti. Bu çalışmasının kapsamını genişleterek kütleler arasındaki çekim kuvvetlerini ele aldığı ikinci kuramı ise genel görelilik olarak adlandırılır.
Einstein’ı görelilik düşüncesine götüren temel neden, o güne kadar geçerli olan Newton fiziğinin ya da klasik fiziğin bazı olayları açıklamakta yetersiz kalmasıydı. Bilindiği gibi, yan yana ve aynı hızla giden iki trenden birindeki bir yolcuya öbür tren duruyormuş gibi gözükür. Bunun nedeni gözlemcinin referans sisteminin, yani yolcunun bulunduğu trenin de hareket ediyor olmasıdır. Bu nedenle fiziksel olayların incelenmesinde her zaman referans sisteminin konumu ve hızı da hesaba katılır. Şimdi bu trenlerin yerine, bir ışık demeti ile ışığınkine yakın hızda yol alan bir uzay aracını düşünelim. Yukarıdaki yasa gereğince, uzay aracının içindeki gözlemcinin, aynı yönde yakınından geçip giden ışık demetini neredeyse duruyormuş gibi görmesi gerekir. Oysa Albert Michelson ve Edward Morley adındaki iki ABD’li fizikçinin 1887 yılında yaptıkları deneyler, gözlemcinin konumu ve hızı ne olursa olsun ışık hızının hiç değişmediğini ortaya koymuştu. Newton’in hareket yasalarının ışık için geçerli olmadığını gösteren bu sonuç bilim adamları arasında büyük bir şaşkınlık yaratmıştı.
Bu deneyden sonra hız, uzaklık ve zaman arasındaki ilişkileri yeniden gözden geçirme gereğini duyan Einstein şöyle bir örneği ele aldı: Diyelim ki Dünyamdan çok uzaktaki iki yıldız birden patlayarak ışık salmaya başlıyor ve bu ışık ışınları aradan çok uzun zaman geçtikten sonra Dünya’ya ulaşıyor. Eğer iki yıldızın ışığı Dünya’ya aynı anda ulaşmışsa, gözlemci iki patlamayı aynı anda olmuş gibi algılayacaktır. Oysa yıldızlardan biri çok daha önce patlamış, ama öbür yıldızdan daha uzakta bulunduğu için ışığı bize daha geç ulaşmış olabilir. Demek ki herhangi bir gözlemci için eşzamanlı olan bir olay, hızı ve konumu farklı olan başka bir gözlemci için eşzamanlı olmayabilir. Kısacası, klasik fizikte olduğu gibi mutlak bir eşzamanlılık yoktur; yalnızca gözlemcilere göre değişen göreli eşzamanlılık’tan söz edilebilir. Einstein’ın bu düşünceden yola çıkarak vardığı sonuca göre, herhangi bir gözlemcinin yapacağı hız ve zaman ölçümleri, hareket halindeki bir başka gözlemcinin ölçtüğü hız ve zaman değerlerinden farklı olacaktır. Başka bir ifade ile evrende mutlak hız ve zaman yoktur; ancak referans sistemine bağlı olarak göreli hız ve zaman vardır.
Bu yeni yaklaşım, ilk anda insanın sağduyusuna aykırı gelen çok ilginç sonuçlar doğurmuştur. Örneğin bir uzay aracının hızı arttıkça, aracın içindeki saatler daha yavaş çalışıyordu. Bunu şöyle açıklayabiliriz: Işığın hızı saniyede 300.000 km olduğuna göre, bir ışık demeti, birbirinden 300.000 km uzakta olan iki nokta arasındaki uzaklığı 1 saniyede alır. Eğer bu iki nokta, aralarındaki uzaklık sabit kalmak koşuluyla ve saniyede 200.000 km hızla ışığın doğrultusuna ters yönde hareket ederse, klasik fizik yasalarına göre ışığın iki nokta arasındaki geçiş hızı 300.000 + 200.000 = 500.000 km/sn olacaktır. Bu durumda ışığın iki nokta arasındaki uzaklığı 300.000 500.000 = 0,6 saniyede geçmesi gerekir. Oysa görelilik yasasına göre, referans sisteminin hızı ne olursa olsun ışığın hızı değişmez. Yani, saniyede 300.000 km yol aldığına göre bu iki nokta arasındaki uzaklığı gene 1 saniyede geçer. Demek ki, bu referans sisteminde 0,6 saniyenin durağan sistemde 1 saniyeye eşit olabilmesi için sistemdeki saatlerin daha yavaş çalışması gerekir. Aynı örneği, zamanı sabit kabul edip uzunluk açısından incelediğimizde de çok ilginç bir sonuca varırız. Bu durumda bir nesnenin, örneğin bir cetvelin hareketi hızlandıkça hareket doğrultusundaki boyu kısalacaktır. Demek ki maddenin hızı ışık hızına ulaştığında boyutu sıfıra inecek ve zaman duracaktır. Böyle bir olasılık düşünülemeyeceği için, Einstein ışık hızına yaklaşılabileceğini, ama hiçbir zaman bu hıza erişilemeyeceğini öne sürdü.
Einstein, özel görelilik kuramıyla vardığı sonuçları bu kez kütleler arasındaki çekim kuvvetlerine uygulayarak genel görelilik kuramını ortaya attığında klasik fiziğin temellerini iyiden iyiye sarstı.
Newton yasalanna göre, belirli bir uzaklıkta duran iki cisim birbirlerini kütleleriyle doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker. Bu yasa gökcisimlerinin hareketleriyle doğrulanmıştı. Yalnız, iki cisim birbirinden ne kadar uzak olursa olsun, cisimlerden biri hareket ettirildiğinde aralarındaki çekim kuvveti de o anda değişiyordu. Özel görelilik kuramına dayanarak, hiçbir etkinin ışık hızından daha hızlı olamayacağını kabul eden Einstein, bu olayı açıklayabilmek için kütleçekimin öbür kuvvetler gibi sıradan bir kuvvet olmadığını, tıpkı elektrik alanı ya da magnetik alan gibi uzayda ışık hızıyla yayılan bir alan olduğunu ileri sürdü.
Einstein’ın özel görelilik kuramının ışığında vardığı sonuçlardan biri de madde ile enerjinin eşdeğerliliğidir. Işığın, Newton yasalarına uygun olarak davranan bir madde değil, bir enerji biçimi olduğunu kabul eden Einstein, madde ile enerji arasındaki ilişkiyi E — mc2 bağıntısıyla gösterdi. Burada E enerji, m cismin kütlesi, c de ışık hızıdır. Bu bağıntıya göre cismin hızı arttıkça enerjisi ve kütlesi de artacak, hızı ışık hızına ulaştığında ise kütlesi bütün uzayı kaplayacaktır. Bu da hiçbir cismin ışık hızına ulaşamayacağını gösterir.
Kütleçekim kuvveti bir alan olarak kabul edildiğinde, uzayı da o güne kadar sanıldığı gibi düz değil eğri olarak kabul etmek gerekiyordu. Uzayın eğriliği şöyle bir örnekle açıklanabilir: Bir uçak havada kendine göre düz bir rotada yol alır. Ama yeryüzü eğri olduğuna göre bu rota aslında bir doğru değil, eğri bir çizgidir. Tıpkı bunun gibi, bir cismin kütlesel çekim alanı içindeki bütün cisimler eğri bir çizgi boyunca yol alır. Kütleçekim alanı içindeki iki noktayı birleştiren en kısa yol düz değil, eğri bir çizgidir. Aynı olgu zamana uygulandığında bir uzay-zaman eğriliği söz konusu olur. Einstein’ın genel görelilik kuramının en önemli sonuçlarından biri de budur. Birkaç yıl sonra yapılan bir ölçümde, güneş ışığının Dünya’ya doğru, yol alırken başka bir gezegenin kütleçekim etkisiyle saparak eğrildiğinin bulunması bu sonucu doğrulamıştır. Sonraki yıllarda, Einstein’ın kuramından yola çıkan bilim adamlarının dört boyutlu bir uzay-zaman kavramı geliştirmeleriyle yeni bir evren anlayışına varılmıştır.