Relativitetsteorien, teori om den fysiske betydning av begrepene rom og tid, i det vesentlige fremsatt av Albert Einstein i to hoveddeler: Den spesielle relativitetsteori fra 1905 forklarer hvorfor naturlovene synes like for alle observatører som beveger seg jevnt og rettlinjet i forhold til hverandre. Den generelle relativitetsteori fra 1916 beskriver gravitasjon som en egenskap ved det firedimensjonale tidsrommet. 

Einsteins spesielle relativitetsteori anvendes bare referansesystemer i jevn rettlinjet bevegelse, såkalte inertialsystemer. Einstein hevdet at relativitetsprinsippet måtte gjelde for enhver bevegelse, altså også for akselererte og roterende systemer. I den generelle relativitetsteorien førte Einstein denne tanken videre. Teorien er også en gravitasjonsteori idet den går ut fra ekvivalensprinsippet, som Einstein formulerte slik: Treghetskrefter i et akselerert eller roterende referansesystem har samme fysiske virkninger («er ekvivalent med») tyngdekrefter forårsaket av graviterende masse.

Prinsippet illustrerte han med et tankeeksperiment: En observatør er i en lukket heis som står i ro. Han opplever da et tyngdefelt. En annen observatør svever i en lukket kasse ute i verdensrommet. Så trekkes kassen oppover i en akselerert bevegelse. Observatøren blir da presset mot bunnen av kassen, og får følelsen av at det er et tyngdefelt som virker på ham. Like eksperimenter som gjøres i de to situasjonene, gir samme resultater.

Betydningen av ekvivalensprinsippet består i at det kan gi svar på hvordan et bestemt fysisk fenomen foregår i et tyngdefelt, dersom man kan regne ut hvordan det foregår i et ekvivalent treghetsfelt. Teorien som Einstein formulerte, innebærer bl.a. at man istedenfor å betrakte tid og rom som separate størrelser, sammenfatter dem i et firedimensjonalt tidrom. Bevegelsen av et massepunkt under påvirkning av gravitasjonskrefter oppfattes som en geometrisk egenskap ved tidrommet og kan beregnes når tidrommets geometri eller krumning er kjent. Sammenhengen mellom tidrommets krumning og tetthet av energi og impuls uttrykkes ved Einsteins gravitasjonslov (se gravitasjonsloven).

Et av Einsteins viktigste kriterier ved formuleringen av denne loven var at den skulle lede til samme resultat som Newtons gravitasjonslov ved lave hastigheter (i forhold til lyshastigheten) og svake gravitasjonsfelt, hvor Newtons lov hadde vist seg gyldig. På en del punkter leder imidlertid teorien til resultater som avviker fra dem man forventer etter Newtons teori. Eksperimentell påvisning av slike avvik blir tatt som bekreftelse på at teorien er riktig. De viktigste av disse er: Merkurs perihelbevegelse, lysets avbøyning (se einsteineffekter) og frekvensforskyvning av lys som beveger seg vertikalt i et tyngdefelt, samt påvisning av gravitasjonsbølger.  Merkurs perihelbevegelse består i at ellipsebanen som planeten beveger seg i, dreier seg meget langsomt. Dreiningen er ca. 575 buesekunder per 100 år. Ifølge Newtons teori forårsaker de andre planetene en dreining på 532 buesekunder per 100 år. Differansen på 43 buesekunder per 100 år kunne ikke forklares ut fra Newtons teori, men svarer til hva man skulle forvente etter relativistiske beregninger.

Lysets avbøyning i gravitasjonsfelt kan observeres når lys fra stjerner passerer nær Solen under en solformørkelse. Avbøyningen kan være opptil 2 buesekunder. Den ble først påvist i 1919, siden gjentatte ganger under solformørkelser og i de senere år også ved målinger på radiobølgersom passerer nær Solen. Lysavbøyningen gir også opphav til en gravitasjonell linse-effekt, som opptrer når lyset fra en fjern kvasarpasserer en galakse som ligger mellom kvasaren og oss. Den norske astronomen Sjur Refsdal har påvist hvordan denne effekten kan brukes til å måle hvor raskt universet utvider seg. Frekvensforskyvning av lys i et gravitasjonsfelt, ble i 1960 påvist ved hjelp av mössbauereffekten, hvor man sammenlignet bølgelengden til lys som ble sendt ut og absorbert med 22,5 m høydeforskjell i Jordens tyngdefelt.

Gravitasjonsbølger ble i 1937 nevnt av Einstein som et teoretisk mulig fenomen, men han tvilte på at massefordelingene man måtte ha for å generere slike bølger, lot seg realisere. I løpet av de siste 20 årene har observasjoner av den binære pulsaren PSR 1913 + 16, som består av to nøytronstjerner, vist at dette stjernesystemet sender ut energi i form av gravitasjonsbølger.

Lyshastigheten opptrer i relativitetsteorien som en grensehastighet som materien ikke kan overskride. Det er derfor vanlig antatt at dette også er den høyeste hastighet for overføring av energi. Uten å komme i strid med relativitetsteorien kan det likevel tenkes å eksistere partikler som beveger seg med overlyshastighet. Disse partiklene må ha imaginær masse og vil være avskåret fra direkte observasjon, men de skulle kunne produsere lys og derfor la seg påvise indirekte. Forsøk på å påvise slike tachyoner har ikke gitt positive resultater.

Som grunnlag for den spesielle relativitetsteorien brukte Einstein relativitetsprinsippet. Dette sier at det er umulig ved mekaniske, optiske eller elektromagnetiske metoder å bestemme et legemes absolutte bevegelse, dvs. dets bevegelse i forhold til det tomme rom. Dette prinsippet var formulert av E. Mach i 1870-årene og senere mer presist av H. Poincaré. For mekanikkens vedkommende kan det føres tilbake til I. Newton. I optikken er det knyttet til A. Michelsons oppdagelse (1881) av at lyshastigheten i tomt rom er den samme om den måles i forhold til en observatør i ro eller i forhold til en som er i bevegelse. I elektromagnetismen fremstår det gjennom Maxwells ligninger og antagelsen om at lys er elektromagnetiske bølger. I Maxwells ligninger opptrer bølgehastigheten som en naturkonstant. Hvis ligningene opptrer på samme form og inneholder samme konstanter om de refererer til ett koordinatsystem eller til et annet i jevn bevegelse i forhold til dette, er lyshastigheten den samme i de to systemene. H. A. Lorentz hadde i 1892 vist at en slik form kunne oppnås ved å forandre målene for lengde og tid på en bestemt måte ved overgang mellom de to systemene, og han hadde angitt et sett formler, Lorentz' transformasjonsligninger, som knyttet sammen lengde og tid målt i to systemer.

I den spesielle relativitetsteori knyttet Einstein lorentztransformasjonen sammen med mekanikkens bevegelsesligninger og utviklet dette til en enhetlig teori. Av teorien følger at begrepet samtidighet ikke er absolutt. To begivenheter som oppfattes som samtidige av én person, vil vanligvis ikke oppfattes slik av en annen som er i bevegelse i forhold til den første. Med klargjøringen av samtidighetsbegrepet fulgte en dypere forståelse av hva lorentztransformasjonen innebar. Forandringen av lengde ved overgang fra ett koordinatsystem til et annet, lengdekontraksjonen, viser seg ved at lengden av en stav finnes å være mindre når den måles av en person som beveger seg forbi staven, enn når den måles av en som følger staven i dens bevegelse og derfor er i ro i forhold til staven.

Tidsdilatasjonen viser seg på tilsvarende måte ved at en klokke som beveger seg, går langsommere enn en klokke som er i ro. Dette kan man forstå ved å betrakte en såkalt fotonklokke, som kan realiseres ved å la et foton bevege seg mellom gulvet og taket i en jernbanevogn. Sett fra vognen beveger fotonet seg vertikalt. Sett fra perrongen til en stasjon som toget passerer, beveger fotonet seg langs en sik-sak-kurve. Lyset må nå bevege seg en større avstand mellom to «tikk» (refleksjoner ved gulv og tak). Siden lyset går med samme fart målt i vognen og på perrongen, tikker klokken langsommere observert fra perrongen enn observert fra vognen.

En eksperimentell bekreftelse av disse forholdene finner man bl.a. ved å måle levetiden av radioaktive partikler som befinner seg i ro, og levetiden av samme slags partikler når de beveger seg med en hastighet nær lysets. Partiklene med stor hastighet eksisterer en tid som er mye lengre enn den levetiden man måler når de samme partiklene er i ro.

En konsekvens av den spesielle relativitetsteori er at hastigheter ikke kan adderes på samme måte som i klassisk fysikk. Når en vogn kjører med en hastighet v1 og en person beveger seg forover i vognen med en hastighet v2, er hans hastighet i forhold til bakken ifølge klassisk mekanikk v = v1 + v2. Etter relativitetsteorien blir hastigheten noe mindre:

\(u= \frac{v_{1}+v_{2}}{{1 + \frac{v_{1}\cdot{v_{2}}}{c^2}}}\)

hvor c er lyshastigheten.

Ved vanlige hastigheter er forskjellen mellom de to måtene å regne på liten. For en geværkule som skytes ut fra et supersonisk fly, vil forskjellen først vise seg i 10. siffer. Men ved hastigheter nær lyshastigheten, relativistiske hastigheter, blir effekten merkbar.

Formelen viser også at lyshastigheten ikke kan overskrides. Dette bryter med klassisk mekanikk, hvor det heter at et legeme vil øke sin hastighet jevnt så lenge det virker en konstant kraft på det. Etter relativitetsteorien vil, ved store hastigheter, hastighetsøkningen bli mindre. Isteden vil legemets masse øke. Massen kan altså ikke regnes som konstant, men er gitt ved formelen m = m0 · γ, hvor m0 er massen av legemet målt når det er i ro i forhold til observatøren, vanligvis kalt legemets hvilemasse, og

\(\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\)

Når hastigheten v nærmer seg lyshastigheten c, går γ og dermed massen mot uendelig. Lyshastigheten viser seg altså også her som en grense som ikke kan overskrides. Einstein viste også at masse representerer energi, og at forholdet mellom disse størrelsene er uttrykt ved ligningen E = mc2.

Man har ennå ikke nådd det mål Einstein satte seg, å utvide relativitetsteorien til en enhetlig eller universell teori hvor elektriske og andre krefter behandles på like linje med gravitasjon. Nye oppdagelser innen elementærpartikkelfysikken i 1970- og 1980-årene har imidlertid ført til at man nå mener å ha funnet en sammenheng mellom kraftfeltene som virker i disse partiklene og gravitasjonskreftene. Dermed nærmer man seg også kanskje den enhetlige beskrivelsen som Einstein søkte. Den mest aktuelle kandidaten til en slik forent teori går under betegnelsen supersymmetrisk strengeteori (se strengeteori).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.