สัมพัทธภาพ เป็นผลงานของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905 เป็นบทความที่นำเสนอความแตกต่างจากนิวตันของทฤษฎีเส้นโค้ง หมายความว่าใช้กับระบบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น จุดเริ่มต้นของทฤษฎีนี้มีสองสมมติฐานพื้นฐาน ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและความเร็วของแสงหลักการเดียวกัน

สมการหลักของทฤษฎีคือการแปลงลอเรนซ์ กลุ่ม การแปลงพิกัดเฉื่อย ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของการคาดการณ์ผลกระทบบางส่วนใหม่ ผลกระทบสัมพัทธภาพ เพราะที่นิวตันฟิสิกส์คลาสสิกไม่ได้เช่น การขยายเวลา ระยะเวลาในการหดตัวด้านข้าง ผลความสัมพันธ์มวลความเร็ว ความสัมพันธ์มวลพลังงานอื่นๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ได้กลายเป็นหนึ่งในรากฐานของทฤษฎีฟิสิกส์สมัยใหม่

ทฤษฎีฟิสิกส์จุลภาคทั้งหมดเช่น ทฤษฎีอนุภาคมูลฐาน และทฤษฎีความโน้มถ่วงมหภาคเช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะเป็นไปตามข้อกำหนดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เหล่าสัมพัทธภาพของการเคลื่อนไหวทฤษฎีที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองหลายแม่นยำ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไม่เพียงแต่รวมชุดของการอนุมานเช่น การขยายเวลา แต่ยังรวมถึงการแปลงสมการของแมกซ์เวลล์เฮิรตซ์ด้วย

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ต้องใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่แนะนำเทนเซอร์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นส่วนเสริมของทฤษฎีกาลอวกาศของไอแซกนิวตัน เพื่อให้เข้าใจทฤษฎี สัมพัทธภาพ พิเศษ เราต้องเข้าใจ 4 มิติเวลาอวกาศและรูปแบบทางคณิตศาสตร์ของมันคือ อวกาศทางเรขาคณิตของมิงค็อฟสกี

มาตรฐานการจำแนกประเภทใหม่สำหรับทฤษฎีฟิสิกส์คือ การจำแนกฟิสิกส์คลาสสิกและฟิสิกส์ที่ไม่ใช่คลาสสิก โดยพิจารณาจาก ทฤษฎี ที่กำหนดทฤษฎีที่ไม่ใช่ควอนตัม สามารถเรียกได้ว่า เป็นทฤษฎีคลาสสิกหรือคลาสสิก ในแง่นี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษยังคงเป็นทฤษฎีคลาสสิก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้รับแรงบันดาลใจจากความขัดแย้ง ในระหว่างการทดลองเชิงแสงและอิเล็กโทรไดนามิกกับทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิก

ก่อนปี ค.ศ. 1905ได้มีการค้นพบว่า ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าบางอย่างที่ขัดแย้งกับแนวคิดของฟิสิกส์คลาสสิกได้แก่ การทดลองที่ไม่ได้สังเกต การเคลื่อนที่ของโลก เมื่อเทียบกับอีเธอร์ซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดของกาลอวกาศสัมบูรณ์ และ อีเธอร์ในทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิก ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุเคลื่อนที่แสดง สัมพัทธภาพ ผลจะเหมือนกันไม่ว่า แม่เหล็กจะเคลื่อนที่หรือตัวนำเคลื่อนที่

อัตราส่วนของอิเล็กตรอนของมวลเฉื่อยลดลง ด้วยการเพิ่มขึ้นของอิเล็กตรอนความเร็วในการเคลื่อนที่ นอกจากนี้กฎแม่เหล็กไฟฟ้าสมการแมกซ์เวล ไม่ได้คงอยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ โดยกล่าวคือ กฎหมายแม่เหล็กไฟฟ้าไม่พอใจหลักการกาลิเลโอของความสัมพันธ์ในกลศาสตร์นิวตัน

การขยายทฤษฎีของนิวตัน เพื่อให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ใหม่ที่กล่าวมาข้างต้นได้อย่างเต็มที่ ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์หลายคนในกลศาสตร์ของนิวตัน มีการนำเสนอเฟรมเวิร์ก โดยการแนะนำสมมติฐานที่หลากหลาย การตรวจสอบทฤษฎีของนิวตัน

ในที่สุดก็นำสมการใหม่ออกมามากมายที่สอดคล้องกับผลการทดลอง เช่นเวลาช้าลงและสมมติฐานการหดตัวของความยาว ความสัมพันธ์ความเร็วมวลและความสัมพันธ์มวลพลังงาน หรือแม้กระทั่งการเปลี่ยนแปลงลอเรนซ์ เนื่องจากทุกสูตรเหล่านี้รวมถึงความเร็วของแสงในสุญญากาศ ถ้าเพียงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ใหม่ที่มีอยู่ สูตรข้างต้นก็เพียงพอแล้ว

แต่สูตรเหล่านี้มาจากสมมติฐานที่แตกต่างกัน หรือแบบจำลองที่แตกต่างกัน แทนที่จะมาจากทฤษฎีทางกายภาพเดียวกัน นอกจากนี้เมื่อใช้มุมมองกาลอวกาศสัมบูรณ์ของนิวตัน เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงของลอเรนซ์และความเร็วของแสงในสุญญากาศจะพบกับปัญหาด้านแนวคิด สถานการณ์ที่ไม่พร้อมเพรียงกันนี้ มีการบ่งชี้ว่า แนวคิดฟิสิกส์แบบเก่ากำลังจะเปลี่ยนเป็นแนวคิดใหม่

ความเข้าใจของไอน์สไตน์เกี่ยวกับสิ่งสำคัญในการแก้ไขสถานการณ์นี้คือ คำจำกัดความของแนวคิดเรื่องความพร้อมๆ กันที่ไม่พร้อมเพรียงกันนั้นไม่มีความหมายที่แน่นอน เนื่องจากทฤษฎีของนิวตันพื้นที่เวลา หรือการเปลี่ยนแปลงของกาลิเลโอ ในเวลาที่มีวิธีการในการไม่มีโลกแห่งความจริงการดำเนินการ เพื่อที่จะใช้สัญญาณไฟเพื่อทวนเข็มนาฬิกาตามสมการของแมกซ์เวลล์ไอน์สไตน์

ต่อมาได้ค้นพบว่า ความเร็วของแสงในทิศทางเดียวคือ คงที่และไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง รวมถึงหลักการของความเร็วแสงคงที่ นอกจากนี้ได้ขยายหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอโดยตรง ไปยังหลักการสัมพัทธภาพพิเศษ ด้วยเหตุนี้จึงได้การแปลงแบบลอเรนซ์ แล้วจึงสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษขึ้น

สมมติฐานพื้นฐาน ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกฎทางกายภาพทั้งหมด ยกเว้นกฎแรงโน้มถ่วงของกลศาสตร์ภายนอก ในกฎของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและกฎจลนศาสตร์อื่นๆ ในระบบเฉื่อยทั้งหมดนั้นถูกต้อง หรืออีกทางหนึ่งคือ กฎของสมการฟิสิกส์ทั้งหมดยกเว้นแรงโน้มถ่วง ในการแปลงลอเรนซ์ให้อยู่ในรูปแบบที่ไม่เปลี่ยนแปลง การทดลองที่ดำเนินการในแต่ละช่วงเวลาให้กฎฟิสิกส์เดียวกัน ซึ่งเป็นพื้นฐานการทดลองของหลักการสัมพัทธภาพ

หลักการความเร็วแสงคงที่ เนื่องจากแสงเดินทางด้วยความเร็วที่กำหนดในสุญญากาศเสมอ เนื่องจากความเร็วนั้นไม่เกี่ยวข้องกับสถานณ์การเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง ในทุกทิศทางในสุญญากาศ ความเร็วการแพร่กระจายของสัญญาณแสง เพราะนั่นคือ ความเร็วของแสงในทิศทางเดียวที่เท่ากัน ความเร็วของแสงไม่เกี่ยวข้องกับสถานการณ์เคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง และระบบเฉื่อยของผู้สังเกต

หลักการนี้ไม่เข้ากันกับกลศาสตร์คลาสสิก ด้วยหลักการนี้พร้อมกันของสถานที่ที่แตกต่างกัน สามารถกำหนดได้อย่างถูกต้อง ในปี ค.ศ. 1922 ไอน์สไตน์ได้รับเชิญไปญี่ปุ่นในฐานะสุนทรพจน์ 6 สัปดาห์ ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต เขาอธิบายว่าเขาค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพได้อย่างไร ไอน์สไตน์เพิ่มสุนทรพจน์ชั่วคราวเพื่อตอบคำถาม คำพูดของไอน์สไตน์ได้รับการแปลเป็นภาษาญี่ปุ่นทันที

ต่อมานักฟิสิกส์ได้แปลภาษาญี่ปุ่นเป็นภาษาอังกฤษ ซึ่งเรื่องนี้เป็นบทสรุปของกระบวนการค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์กล่าวว่า ตอนที่เขาเรียนอยู่ในวิทยาลัย เขาได้อ่านเกี่ยวกับการทดลอง และรู้ว่าแนวคิดเรื่องอีเธอร์นั้นผิด แต่เขามั่นใจว่า สูตรของลอเรนซ์นั้นถูกต้อง นอกจากนี้การทดลองยังพิสูจน์ว่า ความเร็วของแสงคงที่และไม่ได้รับผลกระทบจากความเร็วอื่นๆ ซึ่งแตกต่างจากการบวกและการลบตามปกติของเรามีข้อขัดแย้ง ทำไมถึงมีความขัดแย้งเช่นนี้ ต่อมาไอน์สไตน์ใช้เวลา 1 ปี เพราะคิดหาวิธีต่างๆ ที่จะอธิบายความขัดแย้งนี้ก็ไม่ได้ผลลัพธ์ที่ดี

อ่านต่อได้ที่ >>  เทือกเขาหิมาลัย ความแตกต่างภูมิประเทศกับภูมิอากาศและสภาพอุตุนิยมวิทยา