او همه اینها را در کتاب معروفش «اصول» توضیح داد. طبق قانون گرانش نیوتن، نیروی جاذبه گرانشی بین دو جسم، با جرم آن دو جسم نسبت مستقیم و با فاصله بین آنها نسبت عکس مجذور دارد.
در قرن هجدهم با کارهای اویلر، لاگرانژ، همیلتون و ... مکانیک کلاسیک به اوج قدرت خود رسید. کشف سیاره اورانوس از روی اختلالات مدار سیاره کیوان و کشف سیاره نپتون از روی اختلالات مدار سیاره اورانوس، نشان‌دهنده توانایی مکانیک نیوتنی بود. این موفقیت‌ها باعث شده بود که اشکالات اساسی مکانیک کلاسیک پنهان بماند.
اواخر قرن نوزدهم بود که با پیشرفت در مهندسی و اپتیک (نورشناسی) و ساخت دستگاه‌های دقیق، آزمایش‌هایی انجام شد که اختلافات کوچکی با نظریه مکانیک کلاسیک نشان می‌داد. در بین فیزیک‌دانان نظری هم بعضی از مفاهیم مکانیک کلاسیک مثل فضا و زمان مطلق همیشه محل تردید بود.
حتی خود نیوتن هم به مفهوم فضای مطلق مشکوک بود. اما در اواخر قرن نوزدهم که این اختلافات کوچک پیدا شد، فضا برای تفکر و بازتعریف مفاهیم مکانیک کلاسیک باز شده‌بود. در این بین دانشمندانی مثل لورنس، فیتزجرالد و پوانکاره کارهای پیشگامانه‌ای انجام دادند.
اما کار نهایی را آلبرت اینشتین انجام داد. حاصل 5 سال کار پژوهشی او در مقاله‌ای که در سال 1905 در مجله آلمانی «آنالن در فیزیک» که از معتبرترین مجله‌های علمی زمان بود، به جهان علم عرضه شد. اینشتین در مقاله‌ای با عنوان «الکترودینامیک اجسام متحرک» نظریه نسبیت خاص را تشریح کرد.
در این مقاله بود که او نظرات علمى درباره مفاهیم فضا و زمان را عوض کرد. خودش می‌گوید که کلی در مورد آن فکر کردم تا این که فهمیدم اشکال کار کجاست: «زمان». الان صحبت کردن در مورد این کارهای پیشروانه اینشتین ساده است.
ولی آن موقع قدرت بی‌نظیر مکانیک کلاسیک از یک طرف و یهودی بودن اینشتین از طرف دیگر باعث شده‌بود که جبهه‌گیری‌هایی علیه نظریه نسبیت خاص گرفته شود. کار به جایی رسید که حتی در سال 1921 که قرار بود اینشتین در حضور پادشاه سوئد نطق جایزه نوبل‌اش را ایراد کند، به او تذکر دادند که در مورد نسبیت صحبت نکند و تنها به کشف دیگر و مهمش «توضیح اثر فوتوالکتریک» بپردازد.
پس از تدوین نسبیت خاص، لازم بود که این نظریه به دستگاه‌هاى شتاب‌دار هم تعمیم یابد. ده سال کار مداوم اینشتین باعث بنیان‌نهادن نظریه‌ای نوین براى گرانش یعنى نسبیت عام در سال 1916 شد.
توضیح اختلالى در مدار تیر که گرانش نیوتنى نمی‌توانست توضیح‌اش دهد، توسط اینشتین در همان اوایل تدوین نسبیت عام (چرخش حضیض بیضی مدار تیر به مدار ۴۳ ثانیه قوسى در سال) باعث مقبولیت نسبیت عام شد.
یکى دیگر از پیشگویى‌هاى نسبیت عام در سال ۱۹۱۶ این بود که مسیر نور موقع گذشتن از کنار اجسام سنگین منحرف مى‌شود. سر آرتور ادینگتون در رصد یک خورشیدگرفتگى در سال ۱۹۱۹ این پدیده را آزمایش کرد و به اعتبار نسبیت عام افزود.
جالب این که ادینگتون انگلیسی بود و اینشتین آلمانی و دوکشور در آن زمان درگیر جنگ با هم بودند. پس از آن دوران، نسبیت عام وارد یک رکود نسبى شد. ریاضیات غامض و پیچیده که براى خیلى از فیزیک‌دانان هم ساده نبود از یک طرف و نبودن تکنولوژى لازم براى انجام آزمایش اثرات نسبیت عام در نزدیکى زمین، (به دلیل کوچک بودن اجرامى مثل زمین یا ماه) باعث شده بود که هم از لحاظ نظرى و هم تجربى پیشرفت چندانى در نسبیت عام به‌وجود نیاید.
از دهه 1920 تا 1960 جز چند کار برجسته توسط فیزیک‌دانانی مثل فریدمن، رابرتسون، گاموف و ... عملاً کار چندانی در این زمینه انجام نشد تا این‌که در دهه ۱۹۶۰ با آغاز رقابت فضایی آمریکا و شوروی پس از پرتاب ماهواره اسپوتنیک توسط روس‌ها، دوباره پژوهش‌های نظری و عملی در نسبیت عام آغاز شد.
جنگ‌ها و به‌خصوص جنگ سرد بیشترین کمک را به پیشرفت فیزیک کرده‌اند! از آن زمان تاکنون پژوهش روی گرانش و نسبیت عام همیشه در کانون توجه دانشمندان فیزیک قرار داشته است. در این بین گاهی آزمایش‌ها یا نظریاتی مطرح می‌شدند که یا درصدد نقض نسبیت عام برمی‌آمدند یا این که بدیلی برای آن به شمار می‌آمدند. اما نسبیت عام از همه آزمایش‌ها سربلند بیرون آمد و هیچ نظریه‌ای تا به امروز نتوانسته است به قدرت نسبیت عام، پدیده‌های گرانشی را شرح دهد یا توجیه کند.
انفجار بزرگ
نظریه نسبیت عام برای توجیه پدیده‌های گرانشی از معادله اینشتین استفاده می‌کند. در یک طرف این معادله، جرم و انرژی هستند و در طرف دیگر آن خمیدگی فضا- زمان قرار دارد. یعنی ماده و انرژی هستند که شکل خمیدگی فضا و زمان را مشخص می‌کنند.
اینشتین برپایه پیش‌فرض‌های ذهنی خودش انتظار داشت که معادله‌ای که شکل دنیا را توجیه می‌کند، معادله‌ای ایستا باشد. چون او فکر می‌کرد که جهان بی‌نهایت است و آغاز و پایان ندارد و ایستاست. برای همین به طور دستی، یک جمله به معادله‌اش اضافه کرد. این جمله را «جمله کیهان‌شناسی» می‌گویند.
چون تنها براساس عقاید کیهان‌شناسانه آلبرت اینشتین بود که این جمله به معادله اضافه شده‌بود. ولی ادوین هابل با تلسکوپ کشف کرد که جهان در حال انبساط است ودیدگاه اینشتین زیر سئوال رفت! اینشتین بعداً گفت که این کار بزرگ‌ترین اشتباه عمرم بود.
فریدمن، فیزیکدان روسی نشان داد که مدل‌هایی که در آنها جهان در حال انبساط باشد هم در معادله اینشتین صدق می‌کند. به هرکدام از این مدل‌ها یک حل معادله اینشتین می‌گویند.
اگر جهان در حال انبساط باشد پس باید این انبساط از یک نقطه آغاز شده باشد. اگر به زمان گذشته بازگردیم، به جایی می‌رسیم که همه جرم دنیا در یک نقطه متمرکز شده‌اند و شروع به انبساط کرده‌اند.
جرج گاموف، فیزیکدان اصالتاً روسی، پیش‌بینی کرد که اگر چنین انفجاری رخ داده‌باشد، باید آثار این انفجار در همه جهات به طور متقارن پراکنده شده‌باشد. پس باید بتوان آثار آن را همین الان هم روی زمین مشاهده کرد.
گاموف پیش‌بینی کرد که باید آثار انفجار بزرگ، با تابشی با طول موج حدوداً 4 کلوین دیده شود. در سال 1965، دو مهندس جوان آزمایشگاه تلفن بل به اسم پنزیاس و ویلسون که آنتنی ساخته بودند در حال ردیابی امواج الکترومغناطیسی، تابشی را در طول موج 7/2 کلوین کشف کردند.
آنها اول خیال کردند که علامتی از موجودات فضایی کشف کرده‌اند! اما بعد که مشخص شد که این تابش در تمام جهات و با شدتی تقریباً ثابت در حال ساطع‌شدن است، معلوم شد که این همان تابشی است که گاموف پیش‌بینی کرده‌بود. به این ترتیب عملاً نظریه انفجار بزرگ و انبساط عالم تایید شد.
ماده تاریک
به‌این‌ترتیب، حل‌های گوناگونی در معادله اینشتین صدق می‌کند. یکی از این حل‌ها، حل شوارتزشیلد است. حل شوارتزشیلد توجیه کننده حرکت اجسام به دور یک جرم مرکزی است. مثلاً برای چرخش زمین به دور خورشید از حل شوارتزشیلد معادله اینشتین استفاده می‌شود. جوابی که برای مسیر حرکت زمین به دور خورشید از این روش به‌دست می‌آید عملاً با جوابی که از معادله نیوتن می‌آید، یکی است.
چون که جرم خورشید آن‌قدر کم است که جواب نیوتنی هم کافی است. برای همین بود که سال‌ها معادله گرانش نیوتن قادر بود که همه برهمکنش‌های گرانشی را توضیح دهد. اما وقتی جرم به اندازه کافی زیاد می‌شود دیگر معادله نیوتن نمی‌تواند حرکت را توجیه کند. مثلاً برای حرکت خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری، دیگر باید از معادله اینشتین استفاده کرد.
اما نکته این‌جاست که وقتی سرعت حرکت یک جسم مثلاً یک کهکشان به دور حرکت مرکز یک خوشه کهکشانی را اندازه می‌گیرند، عددی که به‌دست می‌آید، خیلی بیشتر از آن است که جرم آن خوشه کهکشانی بتواند چنین سرعتی را تأمین کند.
پس باید ماده‌ای وجود داشته‌باشد که تأمین‌کننده این سرعت است ولی ما قادر به آشکارسازی این ماده نیستیم. برای همین به آن «ماده تاریک» می‌گویند. هنوز هیچ کاندید خوبی برای ماده تاریک پیشنهاد نشده و این پدیده توجیه درست و درمانی ندارد و یکی از موارد حل نشده نسبیت عام است.
انرژی تاریک
معادله اینشتین مدل جهان را هم توجیه می‌کند. حلی که مدل جهان را با استفاده از معادله اینشتین بیان می‌کند، حل فریدمن - رابرتسون – واکر می‌گویند که انبساط جهان را توجیه می‌کند. نسبیت عام خیلی چیزها را در مورد مدل انبساط جهان و انفجار بزرگ توانسته بود به خوبی بیان کند.
مدل این‌طور بود: «جهان حدود 14 میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ اولیه آغاز شده‌بود. در آن زمان تمام محتویات عالم در یک نقطه بی‌نهایت کوچک و بی‌نهایت چگال متمرکز بود. این تراکم فضا-زمان را چنان خمیده بود که تمام آن در همان نقطه متمرکز بود. سپس انفجار بزرگ روی داد و محتویات عالم همراه خود فضا-زمان از هم جدا شدند.
در ابتدا فقط تابش بود سپس ذرات شکل گرفتند و درحدود 300 هزار سال پس از انفجار بزرگ، اتم‌ها شکل گرفتند و به قول فیزیک‌دانان جهان شفاف شد. هرچه زمان گذشت جهان سردتر شد و ساختارهای بزرگ‌تری مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها شکل گرفتند. جاذبه گرانشی بین اجرام آنها را در کنار هم نگه‌داشت.»
جهان هنوز هم به انبساط و سرد شدن ادامه می‌دهد. الان دمای متوسط جهان 7/2 کلوین یعنی برابر همان تابشی است که پنزیاس و ویلسون کشف کرده‌بودند. با توجه به نیروی گرانش بین اجرام، برای آینده جهان سه حالت قابل توجه بود:
1 - جاذبه باعث می‌شود که سرانجام روند انبساط جهان متوقف شده و یک انقباض آغاز شود و دوباره همه محتویات عالم در هم بریزند و عین انفجار بزرگ، ماده دوباره در یک نقطه متمرکز شود.
2 - مقدار ماده موجود در جهان آن‌قدر باشد که جاذبه برای متوقف‌کردن انبساط عالم کافی نباشد و انبساط جهان تا ابد ادامه پیدا کند اما این انبساط کند شونده باشد.
3 - مقدار ماده به حدی باشد که سرعت انبساط در زمان بی‌نهایت دقیقاً برابر صفر شود.
اما در اواخر قرن بیستم بود که کیهان‌شناسان با واقعه‌ای حیرت‌آور روبه‌رو شدند.
اندازه‌گیری‌ها نشان داد که جهان به هیچ‌کدام از این راه‌ها نمی‌رود و راه چهارمی را برگزیده است، «انبساط تند‌شونده»!
این حالت تنها زمانی پیش می‌آید که نیرویی بیشتر از جاذبه و در خلاف جهت آن در جهان وجود داشته باشد. اما منشا این نیروی اسرارآمیز چیست؟ هنوز هیچ‌کس نمی‌داند. برای همین به آن «انرژی تاریک» می‌گویند.
انرژی تاریک یک چیزی حدود 75 درصد محتویات عالم را تشکیل داده و ماده تاریک هم حدوداً 20 درصد عالم را و آن قسمت از ماده و انرژی را که بشر شناخته و در «مدل استاندارد ذرات بنیادی» آن را توضیح‌داده، همه‌اش 5 درصد عالم است. ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک هنوزدو راز بزرگ و فاش نشده فیزیک هستند.
