معادله‌های ماکس ول و نسبیت

نظریة نسبیت، فرآوردة تلاش هایی بود که با توجه به صرفه جویی منطقی برای بهبود بخشیدن به یک بنیاد فیزیک، به صورتی که در آغاز قرن وجود داشت، انجام گرفت. نظریة به اصطلاح خاص یا محدود نسبیت، مبتنی بر این واقعیت است که معادلات واکس ول (و در نتیجه قانون انتشار نور در فضای تهی) وقتی که محتمل دگرگونی لورنتس شوند، به معادله هایی با همان شکل پیشین تبدیل می گردند. این خاصیت صوری معادله های ماکس ول، با این شناخت تجربی کمابیش معتبر، تکمیل شده است که قوانین فیزیک در همة دستگاه های لَختی، یکی هستند. این امر به این نتیجه می انجامد که دگرگونی لورنتس ـ وقتی که به مختصات فضایی و زمانی اطلاق شود، ـ باید بر انتقال از یک دستگاه لختی به دستگاه دیگر حاکم باشد. بنابراین محتوای نظریة نسبیت محدود را می توان، در یک عبارت خلاصه کرد: همة قوانین طبیعت باید چنان مشروط شوند که نسبت به دگرگونی های لورنتس هم پراش (covariant) باشند. از این گفته چنین نتیجه می شود که هم زمانی دو رویداد دور از هم، مفهومی هم پراش نیست و بعدهای دو جسم صلب و سرعت ساعت ها به حالت حرکت آن ها بستگی دارد. پیامدی دیگر، اصلاح قانون حرکت نیوتن است. در حالت هایی که سرعت جسم مفروضی در مقایسه با سرعت نور کوچک نباشد. نتیجة دیگر اصل هم ارزی جرم و کارمایه بود و این که قانون های بقاء جرم و بقاء کارمایه به صورت یک قانون واحد در آمد. همین که نشان داده شد هم-زمانی نسبی است و به چارچوب مرجع یا دستگاه مختصات بستگی دارد، هرگونه امکان حفظ کنش از دور، در درون بنیاد فیزیک از میان رفت، زیرا که پیش فرض یا فرض مقدم بر این مفهوم، سرشت مطلق بودن هم زمانی بود. (یعنی می بایست بیان مکان دو نقطة جرم دار، که برهم کنش دارند، «در یک زمان» مقدور باشد).
نظریة عام نسبیت منشأ خود را مدیون تلاش برای توضیح واقعیتی است که از زمان گالیئو و نیوتن شناخته بود اما تا کنون به هیچ گونه تعبیر نظری تن درنداده بود: لختی و وزن یک جسم که به خودی خود دو چیز کاملا متمایزند، با ثابت واحدی یعنی با جرم اندازه گرفته می شوند. از این تناظر نتیجه می شود که با آزمایش نمی توان پی برد که آیا یک دستگاه مختصات شتاب دارد یا آن که دارای حرکتی مستیم و یک-نواخت است و آثار مشهود در نتیجة وجود میدانی گرانشی است (این اصل هم ارزی نظریة عام نسبیت است). این اصل، به مجرد آن که پای گرانش به میان آید، مفهوم های دستگاه لختی را در هم می شکند. در این جا باید متوجه شد که دستگاه لختی نقطة ضعفی در مکانیک گالیلئو ـ نیوتنی است. زیرا که در آن، از پیش خاصیت مرموزی برای فضای فیزیکی فرض می شود که نوع دستگاه های مختصاتی را که در آن-ها قانون لختی و قانون نیوتنی حرکت معتبر هستند، مشروط و مقید می سازد.
با اصل موضوعی که اینک گفته می شود می توان از این مشکلات احتراز نمود: قوانین طبیعت باید به نحوی بیان شوند که صورت آن ها برای همة دستگاه های مختصات، صرف نظر از هر حالت حرکتی که دارند، یکی باشد. عملی ساختن این اصل وظیفة نظریة نسبیت عام است. از سوی دیگر، ما از راه نظریة محدود به وجود یک معیار اندازه گیری (متریک) ریمانی در درون پیوستار گاه ـ جایی (زمان ـ فضایی) پی می-بریم که، بر طبق اصل هم ارزی، هم میدان گرانشی و هم خواص متری، فضا را توصیف می کند. اگر مسلم انگاشته شود که معادله های میدان گرانش از مرتبة دوم دیفرانسیل باشند، قانون میدان بروشنی معین می شود.
نظریه، در کنار این نتیجه، فیزیک میدانی را از این ناتوانی که در آن با مکانی نیوتنی سهیم بود، آزاد می سازد که برای فضا خواص فیزیکی مستقلی قائل شود. که تا کنون، در نتیجة استفاده از دستگاه لخت، از نظر پنهان مانده بود. اما نمی توان ادعا کرد که بخش هایی از نظریة نسبیت عام که امروزه می توان در آن ها به چشم نهایی نگریست، بنیادی کامل و رضایت بخش برای فیزیک تدارک دیده اند. نخست آن که در نظریه چنان به نظر می رسد که کل میدان از دو جزء گرانشی و برق مغناطیسی ترکیب شده است که با هم پیوند منطقی ندارند. دو دیگر این که این نظریه مانند نظریه های قبلی میدان، تا کنون توضیحی برای ساختار اتمی ماده فراهم نیاورده است. این ناکامی شاید با این واقعیت مربوط باشد که تا کنون به فهمیدن پدیده های کوانتومی کمکی نکرده است. فیزیک دانان، برای درک کامل این پدیده ها، به پذیرفتن روش-های کاملا تازه ای کشانیده شده اند که ما اکنون دربارة خصوصیت های بنیادی آن ها بحث می کنیم.