आपेक्षिकता सिद्धांत
आपेक्षिकता सिद्धांत अथवा सापेक्षिकता का सिद्धांत (अंग्रेज़ी: थ्योरी ऑफ़ रिलेटिविटी), या केवल आपेक्षिकता, आधुनिक भौतिकी का एक बुनियादी सिद्धांत है जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने विकसित किया और जिसके दो बड़े अंग हैं - विशिष्ट आपेक्षिकता (स्पेशल रिलेटिविटी) और सामान्य आपेक्षिकता (जनॅरल रिलेटिविटी)। फिर भी कई बार आपेक्षिकता या रिलेटिविटी शब्द को गैलीलियन इन्वैरियन्स के संदर्भ में भी प्रयोग किया जाता है।  थ्योरी ऑफ् रिलेटिविटी नामक इस शब्द का प्रयोग सबसे पहले सन १९०६ में मैक्स प्लैंक ने किया था। यह अंग्रेज़ी शब्द समूह "रिलेटिव थ्योरी" () से लिया गया था जिसमें यह बताया गया है कि कैसे यह सिद्धांत प्रिंसिपल ऑफ रिलेटिविटी का प्रयोग करता है। इसी पेपर के चर्चा संभाग में अल्फ्रेड बुकरर ने प्रथम बार "थ्योरी ऑफ रिलेटिविटी" () का प्रयोग किया था।
आपेक्षिकता सिद्धांत (रिलेटिविटी थ्योरी ) संक्षेप में यह है कि 'निरपेक्ष' गति तथा 'निरपेक्ष' त्वरण का अस्तित्व असंभव है, अर्थात् 'निरपेक्ष गति' एवं 'निरपेक्ष त्वरण' शब्द वस्तुत: निरर्थक हैं। यदि 'निरपेक्ष गति' का अर्थ होता तो वह अन्य पिण्डो की चर्चा किए बिना ही निश्चित हो सकती। परन्तु सब प्रकार से चेष्टा करने पर भी किसी पिण्ड की 'निरपेक्ष' गति का पता निश्चित रूप से प्रयोग द्वारा प्रमाणित नहीं हो सका है और अब तो आपेक्षिकता सिद्धांत बताता है कि ऐसा निश्चित करना असंभव है। आपेक्षिकता सिद्धांत से भौतिकी में एक नए दृष्टिकोण का प्रारंभ हुआ। आपेक्षिकता सिद्धांत के आने से भौतिकी के कतिपय पुराने सिद्धांतों का दृढ़ स्थान डिग गया और अनेक मौलिक कल्पनाओं के विषय में सूक्ष्म विचार करने की आवश्यकता दिखाई देने लगी। विज्ञान में सिद्धांत का कार्य प्राय: ज्ञात फलों को व्यवस्थित रूप से सूत्रित करना होता है और उसके बाद उस सिद्धांत से नए फलों का अनुमान करके प्रयोग द्वारा उन फलों की परीक्षा की जाती है। आपेक्षिकता सिद्धांत इन दोनों कार्यों में सफल रहा है।
१९वीं शताब्दी के अंत तक भौतिकी का विकास न्यूटन प्रणीत सिद्धांतों के अनुसार हो रहा था। प्रत्येक नए आविष्कार अथवा प्रायोगिक फल को इन सिद्धांतों के दृष्टिकोण से देखा जाता था और आवश्यक नई परिकल्पनाएँ बनाई जाती थीं। इनमें सर्वव्यापी ईथर का एक विशिष्ट स्थान था। ईथर के अस्तित्व की कल्पना करने के दो प्रमुख कारण थे। प्रथम तो विद्युतचुम्बकीय तरंगों के कंपन का एक स्थान से दूसरे स्थान तक प्रसरण होने के लिए ईथर जैसे माध्यम की आवश्यकता थी। द्वितीय, याँत्रिकी में न्यूटन के गति विषयक समीकरणों के लिए, और जिस पार्श्वभूमि पर ये समीकरण आधारित थे उसके लिए भी, एक प्रामाणिक निर्देशांक(स्टैंडर्ड ऑफ रेफ़रेंस) की आवश्यकता थी। प्रयोगों के फलों का यथार्थ आकलन होने के लिए ईथर पर विशिष्ट गुणधर्मों का आरोपण किया जाता था। ईथर सर्वव्यापी समझा जाता था और संपूर्ण दिशाओं में तथा पिंडों में भी उसका अस्तित्व माना जाता था। इस स्थिर ईथर में पिंड बिना प्रतिरोध के भ्रमण कर सकते हैं, ऐसी कल्पना थी। इन गुणों के कारण ईथर को निरपेक्ष मानक समझने में कोई बाधा नहीं थी। प्रकाश की गति ३x१० मी. प्रति सेकेंड है, यह ज्ञात हुआ था और प्रकाश की तरंगें 'स्थिर' ईथर के सापेक्ष इस गति से विकीरित होती हैं, ऐसी कल्पना थी। याँत्रिकी में वेग, त्वरण, बल इत्यादि के लिए भी ईथर निरपेक्ष मानक समझा जाता था।
१९वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में ईथर का अस्तित्व तथा उसके गुणधर्म स्थापित करने के अनेक प्रयत्न प्रयोग द्वारा किए गए। इनमें माइकेलसनमॉर्ले का प्रयोग विशेष महत्वपूर्ण तथा उल्लेखनीय है। पृथ्वी, सूर्य की परिक्रमा ईथर के सापेक्ष जिस गति से करती है उस गति का यथार्थ मापन करना इस प्रयोग का उद्देश्य था। किंतु यह प्रयत्न असफल रहा और प्रयोग के फल से यह अनुमान निकाला गया कि ईथर के सापेक्ष पृथ्वी की गति शून्य है। इसका यह भी अर्थ हुआ कि ईथर की कल्पना असत्य है, अर्थात् ईथर का अस्तित्व ही नहीं है। यदि ईथर ही नहीं है तो निरपेक्ष मानक का भी अस्तित्व नहीं हो सकता। अत: गति केवल सापेक्ष ही हो सकती है। भौतिकी में सामान्यत: गति का मापन करने के लिए अथवा फल व्यक्त करने के लिए किसी भी एक पद्धति का निर्देश (रेफ़रेंस) देकर कार्य किया जाता है। किंतु इन निर्देशक पद्धतियों में कोई भी पद्धति 'विशिष्टतापूर्ण' नहीं हो सकती, क्योंकि यदि ऐसा होता तो उस 'विशिष्टतापूर्ण' निर्देशक पद्धति को हम विश्रांति का मानक समझ सकते। अनेक प्रयोगों से ऐसा ही फल प्राप्त हुआ।
इन प्रयोगों के फलों से केवल भौतिकी में ही नहीं, बल्कि विज्ञान तथा दर्शन में भी गंभीर अशांति उत्पन्न हुई। २०वीं शताब्दी के प्रारंभ में (१९०४ में) प्रसिद्ध फ्रेंच गणितज्ञ एच. पॉइन्कारे ने आपेक्षिकता का प्रनियम प्रस्तुत किया। इनके अनुसार भौतिकी के नियम ऐसे स्वरूप में व्यक्त होने चाहिए कि वे किसी भी प्रेक्षक (देखनेवाले) के लिए वास्तविक हों। इसका अर्थ यह है कि भौतिकी के नियम प्रेक्षक की गति के ऊपर अवलंबित न रहें। इस प्रनियम से दिक् (स्पेस) तथा काल (टाइम) की प्रचलित धारणाओं पर नया प्रकाश पड़ा। इस विषय में आइंस्टाइन की विचारधारा, यद्यपि वह क्रांतिकारक थी, प्रयोगों के फलों को समझाने में अधिक सफल रही। आइंस्टाइन ने गति, त्वरण, दिक्, काल इत्यादि मौलिक शब्दों का और उनसे संयुक्त प्रचलित धारणाओं का विशेष विश्लेषण किया। इस विश्लेषण से यह स्पष्ट हुआ कि न्यूटन के सिद्धांतों पर आधारित तथा प्रतिष्ठित भौतिकी में त्रुटियाँ हैं।
आइंस्टीन प्रणीत आपेक्षिकता सिद्धांत के दो विभाग हैं :
विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत में भौतिकी के नियम इस स्वरूप में व्यक्त होते हैं कि वे किसी भी अत्वरित प्रेक्षक के लिए समान होंगे। सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत में भौतिकी के नियम इस प्रकार व्यक्त होते हैं कि वे प्रेक्षक की गति से स्वतंत्र या अबाधित होंगे। विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत का विकास १९०५ में हुआ और सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत का विकास १९१५ में हुआ।
इसका प्रतिपादन सन १९०५ में आइंस्टीन ने अपने एक शोधपत्र ऑन द एलेक्ट्रोडाइनेमिक्स ऑफ् मूविंग बॉडीज में की थी। विशिष्ट सापेक्षता दो परिकल्पनाओं (पॉस्चुलेट्स) पर आधारित है जो शास्त्रीय यांत्रिकी (क्लासिकल मेकैनिक्स) के संकल्पनाओं के विरुद्ध (उलटे) हैं:
विशिष्ट आपेक्षिकता के सिद्धान्त से निकलने वाले परिणाम आश्चर्यजनक हैं; इनमें से कुछ इस प्रकार हैं:शास्त्रीय यांत्रिकी में गैलिलियो का रूपान्तरण (Galilean transformations) प्रयुक्त होता है जबकि विशिष्ट सापेक्षता में लोरेन्ट्स रूपांतरण (Lorentz transformations)।
सन १९०७ से १९११ के बीच आइन्स्टीन द्वारा विकसित आपेक्षिकता सिद्धान्त ही 'सामान्य आपेक्षिकता' के नाम से जाना जाता है।यह सिद्धान्त निम्नलिखित दो परिकल्पनाओं पर आधारित है-
लम्बाई, दिक् (स्पेस), काल, द्रव्यमान, ऊर्जा इत्यादि के विषय में भौतिकी में जो धारणाएँ थीं उनमें विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत ने सुधार किया। इनके अतिरिक्त भौतिकी के क्षेत्र में अन्य विषय हैं जो उतने ही महत्वपूर्ण हैं, किंतु उनका समावेश विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत में नहीं है। बल तथा विद्युतचुम्बकीय क्षेत्रों में विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत का जैसा उपयोग हो सकता है वैसा गुरुत्वीय क्षेत्र में नहीं हो सकता। गुरुत्वाकर्षण भौतिकी का एक अत्यंत महत्वपूर्ण विभाग है, अत: स्पष्ट है कि विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत को व्यापक बनाने की आवश्यकता है।
द्रव्यमान का संबंध भौतिकी में दो प्रकार से आता है। किसी पिंड पर जब बल कार्य करता है तब पिंड का स्थान बदलता है और उसका वेग बदलता है। जब तक बल कार्य करता है तब तक पिंड को त्वरण मिलता है। यांत्रिकी के नियमों के अनुसार बल (F), पिंड का द्रव्यमान (m) और त्वरण (a) में निम्नलिखित संबंध है :
इस समीकरण में जो द्रव्यमान m है उसको जड़त्व या आश्रित (अथवा अवस्थितित्वीय) द्रव्यमान कहते हैं। द्रव्यमान का दूसरा संबंध न्यूटन के गुरुत्त्वीय क्षेत्र में आता है। न्यूटन द्वारा दिये गये गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत के अनुसार यदि दो द्रव्यमान, m1 तथा m2, दूरी r पर हों, तो उनके बीच में निम्नलिखित गुरुत्वाकर्षणीय बल F काम करेगा :
इस समीकरण में G गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक है। यदि हम m1 को पृथ्वी का द्रव्यमान समझें और m2 को धरती के पास स्थित किसी अन्य पिंड का द्रव्यमान समझें तो समीकरण (२) द्रव्यमान m2 का भार व्यक्त करेगा। न्यूटन की यांत्रिकी में गतिविज्ञान तथा गुरुत्वाकर्षण स्वतंत्र और भिन्न हैं, किंतु दोनों में ही द्रव्यमान का संबंध आता है। द्रव्यमान के इन दो स्वतंत्र तथा भिन्न विभागों में प्रयुक्त कल्पनाओं का एकीकरण आइंस्टाइन ने अपने सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत में किया। यह ज्ञात था कि जड़त्व पर आश्रित द्रव्यमान (समीकरण १) और गुरुत्वीय द्रव्यमान (समीकरण २) समान होते हैं। आइंस्टाइन ने द्रव्यमान की इस समानता का उपयोग करके गतिविज्ञान और गुरुत्वाकर्षण को एकरूप किया और सन् १९१५ ई. में व्यापक आपेक्षिकता सिद्धांत प्रस्तुत किया।
सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत को गणित में सूत्रित करने की जो पद्धति है वह अन्य पद्धतियों से भिन्न है। इसमें विशेष ज्यामिति का उपयोग किया जाता है, जो यूक्लिड की त्रि-आयामी ज्यामिति से भिन्न है। मिंकोव्स्की ने यह बताया कि यदि विशिष्ट आपेक्षिकता सिद्धांत में दिक् के तीन आयाम तथा समय का चतुर्थ आयाम, इन चारों आयामों को लेकर एक 'चतुरायाम सतति' (फ़ोर डाइमेंशनल कॉन्टिनुअम), की कल्पना की जाए तो आपेक्षिकता सिद्धांत अधिक सरल हो जाता है। समक्षणिकता, निरपेक्ष नहीं है - यह प्रमाणित किया जा चुका है। इससे न्यूटन प्रणीत दिक् तथा समय की निरपेक्षता और स्वतंत्रता समाप्त हो जाती है। अत: भौतिक घटना व्यक्त करने के लिए दिक् तथा समय की चतुरायाम सतति अधिक स्वाभाविक है। रीमान ने 'चतुरायाम दिक्' की कल्पना करके उसकी ज्यामिति का जो विकास किया था उसका आइंस्टाइन ने अधिक उपयोग किया। दिक् तथा समय की इस चतुरायाम सतति में भौतिकी के सिद्धांत ज्यामितीय रूप से सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत में रखे गए। इस चतुरायाम सतति का (अथवा 'विश्व' का) युक्लिड के तीन आयाम के दिक् से साम्य है। तीन आयाम की सतति में, (x, y, z) इन तीन निर्देशांकों से (अथवा आयामों से) जिस प्रकार बिंदु अथवा एक स्थान निश्चित होता है, वैसे ही दो बिंदु (x1, y1, z1) और (x2, y2, z2) के बीच की लंबाई भी निश्चित होती है। चतुरायाम सतति में दिक् के (x, y, z) इन तीन आयामों के साथ जब समय भी जोड़ा जाता है तब समय का आयाम (विमा) रूप t = xc आता है, जहाँ t = समय और c = प्रकाश का वेग है। एक प्रेक्षक के लिए एक विश्वघटना के निर्देंशांक (x, y, z, t) हों तो उस प्रेक्षक के सापेक्ष गतिमान् दूसरे प्रेक्षक के लिए उसी घटना के निर्देशंक (x', y', z', t') होंगे। लोरेंज़ के रूपांतरण के नियम यदि यथार्थ हों तो सिद्ध किया जा सकता है कि
समीकरण (३) का विकास करके किसी भी प्रकार की गति के लिए इसी प्रकार की किंतु अत्यधिक संमिश्र पदसंहतियाँ मिलती हैं। इसके लिए निश्चलों (इन्वैरिएँट्स) और प्रदिशों (टेन्सर्स) के सिद्धांतों की आवश्यकता होती है। मौलिक कल्पनाओं का इस रीति से विस्तार करने पर व्यापक आपेक्षिकता सिद्धांत में गुरुत्वाकर्षण स्वभावत: आता है। उसके लिए विशिष्ट परिकल्पनाओं की आवश्यकता नहीं हाती है।
अनेक घटनाओं के फल, आइंस्टाइन प्रणीत व्यापक आपेक्षिकता सिद्धांत के अनुसार तथा न्यूटन प्रणीत प्रतिष्ठित याँत्रिकी के अनुसार, समान ही होते हैं। किंतु खगोलिकी में जब सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत का उपयोग किया गया तब तीन घटनाओं के फल प्रतिष्ठित याँत्रिकी (क्लासिकल मेकेनिक्स) के अनुसार निकले फलों से कुछ भिन्न रहे। इन फलों से सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत की कसौटी का काम ले सकते हैं। ये तीन फल इस प्रकार हैं:
आइंस्टीन के सापेक्षिकता सिद्धांत ने भौतिकी के नए नियमों को नए सिरे से परिभाषित किया तथा न्यूटन के यांत्रिकी नियमों पर आधारित कई समीकरणों को बदलना पड़ा. न्यूटन के समीकरण कम गति वाले वस्तुओं की तो व्याख्या आज भी सही ढंग से कर रहे हैं जहाँ सापेक्षिकता प्रभाव नगण्य होता है परन्तु जब वेग प्रकाश के वेग से तुलनीय हो जाता है तब आइंस्टीन के सिद्धांत से ही गति की सही व्याख्या हो सकती है. दो वस्तुओं के बीच के टक्कर और तदोपरान्त दोनों वस्तुओं की चाल की सन्निकट व्याख्या भी न्यूटन के नियम से तभी हो सकती है जब टक्कर के पूर्व वस्तुओं की चाल प्रकाश के वेग की तुलना में नगण्य हो. यदि वस्तुओं का वेग प्रकाश के वेग से तुलनीय हो तो ऐसे टक्कर को सापेक्षिक टक्कर (रीलेटिविस्टिक कोलिजन ) कहते हैं.
सापेक्षिक टक्कर में रेखीय संवेग एवं ऊर्जा दोनों ही संरक्षित रहते हैं. यहाँ ध्यान देने वाली बात है की यहाँ ऊर्जा से तात्पर्य कुल ऊर्जा से है जिसका अभिप्राय है की टक्कर के पूर्व की कुल ऊर्जा टक्कर के बाद की कुल ऊर्जा के बराबर होगी.
रेखीय संवेग का संरक्षण
यदि दो वस्तुएं जिनका टक्कर पूर्व वेग u तथा U हो और विराम द्रव्यमान formula_3तथा formula_4हो तो उस स्थिति में टक्कर के पूर्व का कुल रेखीय संवेग होगा
formula_5 -----------------------------------1
जहाँ formula_6 एवं formula_7 क्रमशः formula_8तथा formula_9 हैं
तथा c प्रकाश का निर्वात में वेग है
उसी प्रकार,यदि दोनों वस्तुओं का टक्कर के पश्चात् वेग v तथा V हो जाये उस स्थिति में टक्कर के पश्चात का कुल रेखीय संवेग होगा
formula_10 ------------------------------------2
जहाँ formula_11 एवं formula_12 क्रमशः formula_13 तथा formula_9 हैं.
तो रेखीय संवेग के संरक्षण के नियमानुसार formula_15
यानि
formula_16 ---------------------------3
कुल ऊर्जा का संरक्षण
टक्कर के पूर्व की कुल ऊर्जा
formula_17 ---------------------------4
जहाँ m तथा M वस्तुओं के सापेक्षिक द्रव्यमान हैं
टक्कर के पश्चात की कुल ऊर्जा
formula_18 ---------------------------5
तो कुल ऊर्जा के संरक्षण के नियमानुसार formula_19
यानि
formula_20 ---------------------6
अतः समीकरण ---5 तथा ----6 से दोनों अज्ञात राशियां v तथा V प्राप्त की जा सकती हैं. वस्तुओं का विराम द्रव्यमान तथा टक्कर के पूर्व का वेग पहले से ज्ञात है. ध्यान देने की बात है की सापेक्षिकता सिद्धांत से वस्तुओं की गति पूर्णतः निर्धारित हो जाती है जबकि न्यूटन की यांत्रिकी से चलें तो गति पूर्णतः निर्धारित नहीं हो सकती क्यूंकि टक्कर के बाद गतिज ऊर्जा संरक्षित नहीं भी रह सकती है