Universul Newtonian, așa imperfect cum este el, a permis foarte mult progres din punct de vedere astronomic. Aceasta a rămas neschimbat de mai bine de 200 de ani, până la începutul secolului 20 când Einstein a propus pentru prima dată Teoria Relativității, ca rezultat al capătului de linie la care ajunsese fizica în acele vremuri.

Relativitatea specială

Viteza luminii este finită. Primul care a observat acest lucru a fost Oleaus Römer în anul 1675, când a studiat sateliții lui Jupiter și eclipsele lor. Caracterul ondulatoriu al luminii a fost dovedit în secolul 18 și în anul 1817, Fresnel a dovedit că lumina este o vibrație ondulatorie transversală. Dacă există o vibrație, s-a gândit că este necesar și un suport: eterul (spațiul), infinit de rigid dar care să nu ofere rezistență mișcărilor corpurilor cosmice. În 1887, Michelson și Morley au arătat, în cadrul unui experiment faimos, faptul că dacă acest eter este real, Pământul nu are nicio viteză în cadrul lui.

Succesiunea de eșecuri a fizicii clasice, alături de incompatibilitatea sa evidentă cu electromagnetismul l-au făcut pe Einstein să se gândească la această teorie a relativității speciale, care se bazează pe două fundamente principale:

• legile fizicii sunt mereu aceleași în orice cadru inerțial, indiferent de poziție sau viteză
• viteza luminii în vid este absolută și universală

Din punct de vedere fizic, primul principiu înseamnă că nu există o relație spațiu-timp absolută, nu există un punct de referință absolut pentru care poziția și viteza sunt definite. Doar pozițiile și vitezele relative între obiecte au sens. Rezultatul celui de-al doilea principiu aruncă înafara corectitudinii legea galileană a adiției de viteză.

Relativitatea generală

La 10 ani de la teoria relativității speciale, Einstein a generalizat principiul său la toate sistemele de referință, indiferent de mișcarea lor. Einstein a venit apoi cu principiul echivalenței: accelerația și gravitația sunt de nedeslușit. Asta înseamnă că nu poți să găsești un experiment care să îți permită să decizi dacă sistemul tău de referință accelerează (o rachetă care decolează de exemplu) sau este situat în câmpul gravitațional al unei mase (pe Terra sau oricare altă planetă/stea, etc)

Spre deosebire de spațiul Newtonian absolut, acesta este legat de conținutul său. Nu este preexistent și geometria sa este generată de prezența maselor. Astfel, aceste mase or modifica comportamentul corpurilor și luminii. Universul Newtonian rigid este înlocuit cu un Univers spațiu-timp în 4 dimensiuni, care este curbat de prezența maselor. Gravitația este înlocuită de proprietățile geometrice ale spațiului și timpului: un corp masiv curbează spațiul și timpul din jurul său. Pentru a putea lua în calcul aceste efecte, trebuie să renunțăm la Universul Newtonian în 3 dimensiuni și să îl înlocuim cu un continuum spațiu-timp în 4 dimensiuni.

Care sunt consecințele principale ale aceste teorii pentru astrofizică

• razele de lumină sunt deviate de corpurile cu masă masivă
• în vecinătatea unui corp masiv, timpul trece mai încet
• lumina care trece pe lângă un corp masiv este întârziată, are un drum mai lung de parcurs