Non esiste una “teoria della relatività” – solo due teorie che occasionalmente ricadono sotto lo stesso designatore – la teoria della relatività speciale e la teoria della relatività generale. Entrambe furono ideate dal famoso fisico Albert Einstein tra il 1905 e il 1915. Entrambe queste teorie capovolsero la meccanica classica di Newton, che aveva resistito secoli prima.
La teoria della relatività speciale è una teoria della struttura dello spaziotempo, che afferma che 1) le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori in moto uniforme l’uno rispetto all’altro e 2) la velocità della luce nel vuoto è la stessa per tutti gli osservatori, indipendentemente dal loro moto del moto della sorgente luminosa. Questo porta a conseguenze bizzarre. Ad esempio, immagina di muoverti su un treno che va a 100 mph accanto a un altro treno che si muove nella stessa direzione a 100 mph. Dal tuo punto di vista, il treno accanto a te sembra quasi immobile. Ma immagina di essere su un treno che si muove alla velocità della luce, mentre si trova accanto a un raggio di luce. Invece di sembrare fermo, il raggio di luce si muove davanti a te alla velocità della luce. La luce è strana così.
Molte delle conseguenze che derivano dalla teoria della relatività ristretta sono 1) dilatazione del tempo (gli orologi che si muovono vicino alla velocità della luce funzionano più lentamente degli orologi fissi), 2) contrazione della lunghezza (gli oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce sembrano contratti in la direzione del movimento), 3) relatività della simultaneità (le cose che sembrano accadere contemporaneamente all’osservatore fermo A possono sembrare accadere in momenti diversi all’osservatore B in movimento), 4) equivalenza massa-energia (massa ed energia sono essenzialmente la stessa cosa e trasmutabili l’una nell’altra).
La teoria della relatività generale, concepita pochi anni dopo la teoria della relatività ristretta, è una teoria del funzionamento della gravità. Inizialmente era basato sul principio di equivalenza, l’idea che l’accelerazione e lo stare fermi in un campo gravitazionale di una data forza sono fisicamente identici. Poiché non è richiesta alcuna forza speciale per creare effetti inerziali in un oggetto in accelerazione, Einstein propose che dovremmo pensare allo stesso modo della gravità, rinunciando alla nozione classica di forza gravitazionale e concependo invece la gravità come curve nello spaziotempo. Questo spiega fenomeni come il motivo per cui la luce si piega in presenza di un campo gravitazionale anche se manca di massa.
La teoria della relatività generale fornisce spiegazioni e fa previsioni che sarebbero sembrate ridicole nella visione del mondo della meccanica classica. A parte la flessione della luce in presenza di un campo gravitazionale, prevede che il tempo scorre più lentamente in presenza di un campo gravitazionale, la precessione (cambiamento) delle orbite planetarie a causa della coppia esercitata dal campo gravitazionale del Sole, si verifica il trascinamento del fotogramma, per cui si verifica un massiccio corpi rotanti “trascinano” con sé il telaio inerziale dello spaziotempo circostante e che l’universo si sta espandendo, in alcuni casi più velocemente della velocità della luce, perché è lo spazio stesso che si sta espandendo, non gli oggetti al suo interno.
Per svelare le implicazioni di queste teorie ci sono voluti decenni ed è ancora in corso oggi. Le teorie di Einstein erano così lungimiranti che ci vollero decenni per testarle e confermarle con grande precisione. Col senno di poi, le idee di Einstein furono quasi completamente convalidate.