جهان بینی علمی در فیزیک نظری با كارهای گالیله آغاز شد. هر چند كه تلاش های گالیله زیربنای فیزیك را تشكیل داد، اما این تلاش ها ریشه در نگرش های جدید به پدیده های فیزیکی داشت كه مهم ترین آن ها را می توان در آثار برونو و کپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه ای در آثار خود تشریح کرد كه همه ی ستارگان جهان نظیر خورشید هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حرکت سیارات قانونمند است و یک نظم منطقی در حرکت، دوره تناوب و مسیر آن ها وجود دارد. گالیله آزمایش های زیادی انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در یكسری قوانین کلی خلاصه کند. در این میان آزمایش سطح شیب دار گالیله از همه مشهورتر است.

روش استقرایی و دیفرانسیلی:

جهان بینی علمی در فیزیک نظری با كارهای گالیله آغاز شد. هر چند كه تلاش های گالیله زیربنای فیزیك را تشكیل داد، اما این تلاش ها ریشه در نگرش های جدید به پدیده های فیزیکی داشت كه مهم ترین آن ها را می توان در آثار برونو و کپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه ای در آثار خود تشریح کرد كه همه ی ستارگان جهان نظیر خورشید هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حرکت سیارات قانونمند است و یک نظم منطقی در حرکت، دوره تناوب و مسیر آن ها وجود دارد. گالیله آزمایش های زیادی انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در یكسری قوانین کلی خلاصه کند. در این میان آزمایش سطح شیب دار گالیله از همه مشهورتر است.

اما نمی توان تاثیر نگرش گالیله را در پیشرفت علم به این آزمایش ها خلاصه کرد. در حقیقت گالیله نوعی نگرش منطقی به پدیده های فیزیکی داشت كه تا آن زمان بی سابقه بود. این نگرش زیربنای روش استقرایی را در فیزیک تشكیل داد و بتدریج به سایر علوم گسترش یافت. هر چند آزمایش های گالیله از نظر کمی و كیفی با آزمایش های امروزی قابل مقایسه نیست، اما آزمایش های بسیار پیچیده و پیشرفته امروزی نیز از همان قاعده ی نگرش استقرایی گالیله پیروی می کنند. به این ترتیب گالیله زیر ساخت فیزیك را ایجاد کرد و نحوه ی برخورد علمی با طبیعت را نشان داد. اما نتیجه ی این تلاش ها به صورت تشریحی بیان می شد. سال ها بعد نیوتن نتایج به دست آمده توسط گالیله را فرمول بندی و در قالب یكسری معادلات ریاضی ارائه کرد و ساختار فیزیک كلاسیك را مدون ساخت. قانون جهانی گرانش نیوتن دست آورد بزرگی بود. نیوتن برای توجیه پدیده های فیزیکی "نگرش دیفرانسیلی" را جایگزین روش انتگرالی كرد. در روش انتگرالی همواره نتایج مورد نظر است. در حالی كه در نگرش دیفرانسیلی تحلیل روند رسیدن به نتایج مورد بحث قرار می گیرد و جواب های خاص را می توان از آن به دست آورد. به عنوان مثال قوانین کپلر را با قانون جهانی گرانش نیوتن مقایسه کنید. در قوانین کپلر نمی توان دوره ی گردش یک سیاره را از روی دوره ی گردش سیاره ی دیگر استخراج کرد. علاوه بر آن هر سه قانون کپلر مستقل از هم هستند. در حالی كه در قانون نیوتن می توان دوره گردش همه ی سیارات به دور خورشید را به دست آورد. بنابراین می توان گفت گالیله روش استقرایی را به وجود آورد و نیوتن روش دیفرانسیلی را ابداع کرد. لذا تاثیر تلاش های گالیله و نیوتن در پیشرفت علوم ممتاز و غیر قابل انكار و در عین حال بی نظیر است.

مشكلات قوانین نیوتن

هنگامی كه نیوتن قوانین حركت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، این قوانین از نظر منطقی با اشكالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن تا سرعت های نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است كه طبق آن نیروی وارد شده به جسم می تواند تا بی نهایت سرعت آن افزایش دهد. این امر با مشاهدات تجربی قابل تطبیق نیست. مشكل بعدی كنش از راه دور بود. یعنی اثر نیروی جاذبه با سرعت نامتناهی منتقل می شد. تاثیر از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت. اما مهم ترین مشكل قوانین نیوتن در قانون جهانی جاذبه وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود. نیوتن دریافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستاركان باید یكدیگر را جذب كنند و بنابراین اصلاً به نظر نمی رسد كه ساكن باشند. نیوتن در سال 1692 طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بی نهایت نباشد، و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراكنده باشند، همگی به یكدیگر برخورد خواهند کرد.

اما اكر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیكران به طور كما بیش یكسان پراكنده باشند، نقطه مركزی در كار نخواهد بود تا همه بسوی آن كشیده شوند و بنابراین جهان در هم نخواهد ریخت." این برداشت نیز با یک اشكال اساسی مواجه شد. به نظر سیلیجر طبق نظریه نیوتن تعداد خطوط نیرو كه از بی نهایت آمده و به یک جسم می رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اكر جهان نامتناهی باشد و همه ی اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بینهایت خواهد شد. مشكل بعدی قانون جاذبه نیوتن این است كه طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می تواند تا بی نهایت افزایش یابد. این نیز با تجربه تطبیق نمی كند، زیرا وجود جسمی با جرم بی نهایت مشاهده نشده است. مشكل بعدی قوانین نیوتن در مورد دستكاه مرجع مطلق بود. هم چنان كه می دانیم حركت یک جسم نسبی است، وقتی سخن از جسم در حال حركت است، نخست باید دید نسبت به چه جسمی یا در واقع در کدام چارچوب در حركت است. دستگاه های مقایسه ای در فیزیک دارای اهمیت بسیاری هستند. قوانین نیوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. یعنی در جهان یک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ی اجسام در این چارچوب مطلق كه آن را "اتر" می نامیدند در حركت بودند. یعنی ناظر می توانست از حركت نسبی دو جسم سخن صحبت كند یا می توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد. براین اساس مایكلسون تصمیم داشت سرعت زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مایكلسون یک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش کرد طی یک آزمایش سرعت مطلق زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتیجه آزمایش منفی بود. با آن كه آزمایش بارها و بارها تكرار شد، اما نتیجه منفی بود. هر چند مایكلسون از این آزمایش نتیجه ی مورد نظرش به دست نیاورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جایزه نوبل شد.

نسبیت خاص

برای توجیه علت شكست آزمایش مایكلسون نظریه های بسیاری ارائه شد تا سرانجام اینشتین در سال 1905 نسبیت خاص را مطرح كرد. نسبیت خاص شامل دو اصل زیر است:
1- قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یكسان است و هیچ دستگاه مرجع مطلقی در جهان وجود ندارد.
2- سرعت نور در فضای تهی و در تمام دستگاه های لخت ثابت است. در نسبیت سرعت نور، حد سرعت ها است، یعنی هیچ جسمی نمی تواند با سرعت نور حرکت کند یا به آن برسد. نتیجه این بود كه قانون دوم نیوتن باید تصحیح می شد. طبق نسبیت جرم جسم تابع سرعت آن است، یعنی با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد و هر جسمی كه بخواهد با سرعت نور حركت كند باید دارای جرم بی نهایت باشد. لذا قانون دوم نیوتن بصورت زیر تصیح شد.
F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2 بنابراین جرم تابع سرعت است و با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد. هنگامی كه سرعت جسم به سمت سرعت نور میل كند، جرم به سمت بی نهایت میل خواهد كرد و عملاً هیچ نیرویی نمی تواند به آن شتاب دهد. از طرف دیگر طبق نسبیت جرم و انرژی هم ارز هستند، یعنی جرم جسم را می توان بصورت محتوای انرژی آن مورد ارزیابی قرار داد. بنابراین انرژی دارای جرم است. اما در نسبیت نور از کوانتوم های انرژی تشكیل می شود كه آن را فوتون می نامند و با سرعت نور حركت می کند. این سئوال مطرح شد كه اكر انرژی دارای جرم است و فوتون نیز حامل انرژی است كه با سرعت نور حركت می كند، پس چرا جرم آن بی نهایت نیست؟ پاسخ نسبیت به این سئوال این بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حالی كه رابطه ی جرم نسبیتی در مورد جرم حالت سكون غیر صفر بر قرار است. لذا در نسبیت با دو نوع ذرات سروكار داریم، ذراتی كه دارای جرم حالت سكون غیر صفر هستند نظیر الكترون و ذراتی كه دارای جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبیت تنها ذراتی می توانند با سرعت نور حركت کنند كه جرم حالت سكون آن ها صفر باشد. مشكل نسبیت خاص در این است كه جرم نسبیتی آن(جرم بی نهایت) مانند سرعت بی نهایت در مكانیك كلاسیك با تجربه تطبیق نمی كند.

یعنی هیچ نمونه ی تجربی كه با جرم بی نهایت نسبیت تطبیق كند وجود ندارد. علاوه بر آن در نسبیت و حتی در مكانیك كوانتوم توضیحی وجود ندارد كه نحوه ی تولید فوتون را با سرعت نور توضیح بدهد. و چرا فوتون در حالت سكون یافت نمی شود. آیا فوتون از ذرات دیگری تشكیل شده است؟ اگر جواب منفی است این سئوال مطرح می شود كه فوتون های مختلف با یکدیگر چه اختلافی دارند؟ در حالی كه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت می كنند. آزمایش نشان داده است كه فوتون در برخورد با سایر ذرات قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد. حال این سئوال مطرح می شود كه فرض كنیم فوتون شامل ذرات دیگری نیست، این را باید توضیح داد وقتی قسمتی از آن جدا می شود و باز هم دارای همان خواص اولیه است ولی با انرژی کمتر؟ یعنی فوتون قابل تقسیم است، هر ذره ی قابل تقسیمی باید شامل زیر ذره باشد. واقعیت این است كه فوتون در شرایط نور تولید می شود و اجزای تشكیل دهنده آن نیز بایستی با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سكون فوتون یعنی تجزیه ی آن به اجزای تشكیل دهنده اش. از طرفی می دانیم جرم و انرژی هم ارز هستند، آیا این منطقی است كه می توان سرعت جرم را تغییر داد اما سرعت انرژی ثابت است؟

نسبیت عام:

نسبیت خاص دارای یك محدودیت اساسی بود. این محدودیت ناشی از آن بود كه رویدادهای فیزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسی قرار می داد، در حالی كه در جهان واقعی دستگاه ها شتاب دار هستند. هر چند می توان در بر رسی برخی رویداد ها به دستگاه های لخت بسنده كرد، اما این دستگاه ها برای بررسی تمام رویدادها ناتوان هستند. اینشتین در سال 1915 نسبیت عام را ارائه کرد و نسبیت خاص به عنوان حالت خاصی از نسبیت عام در آمد. نسبیت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوین شد.

اصل هم ارزی:

قوانین فیزیک در یک میدان جاذبه یكنواخت و در یک دستگاه كه با شتاب ثابت حركت می کند، یكسان هستند.
به عنوان: فرض کنیم یک دستگاه مقایسه ای با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در این دستگاه نظیر مشاهدات در یک میدان گرانشی یكنواخت است در صورتی كه شدت میدان گرانشی برابر شتاب دستگاه باشد، یعنی: a=g مهم ترین دستاورد نسبیت عام توجیه مدار عطارد بود. بررسی های نجومی نشان داده بود كه نقطه حضیض عطارد جابه جا می شود. بیش از یكصد سال بود كه فیزیك دانان متوجه آن شده بودند، اما نمی توانستند با قوانین نیوتن توجیه كنند. اما نسبیت عام توانست أن را توجیه كند. بنابر نسبیت، گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است. كه فضا-زمان نامیده می شود. یعنی جرم فضای اطراف خود را خمیده می كند و مسیر نور در اطراف آن خط مستقیم نیست، بلكه منحنی است. در سال 1919 انحنای فضا را هنگام کسوب کامل خورشید با نوری که از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حرکت بود و از کنار خورشید می گذشت مورد تحقیق قرار دادند که با پیشگویی نسبیت تطبیق می کرد. این موفقیت بسیار بزرگی برای نسبیت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژیک فضا بررسی واقعیت های فیزیکی را به حاشیه راند. مضافاً این که گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبیعت در فیزیک نظری حذف کرد. مشکلات اساسی نسبیت را می توان به صورت زیر فهرست کرد:
1- مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و واکنش متقابل آن ها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. در این زمینه تا جایی پیش رفته که حتی اندازه حرکت و برخی دیگر از کمیت ها را کوانتومی معرفی می کند. این نتایج بر مبنای یکسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذیرش است. علاوه بر آن تلاش های زیادی انجام می شود پدیده های بزرگ جهان را با قوانین شناخته شده در مکانیک کوانتوم توجیه کنند. حال به نسبیت توجه کنید که فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است. تلاش های زیادی انجام شده تا به طریقی یک همانگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیک دانان نشده است.

2- پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند که حتی فیزیکدان بزرگی نظیر استفان هاوکینگ نظر خود را تغییر داد. البته این برداشت های متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود انیشتین که نسبیت را مطرح کرد وجود داشت. به عنوان مثال: انیشتین از سال 1917 شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم کرد. وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور" پارامتر عالم" را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود:
1- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است.
2- بزرگی "شعاع" فضا به زمان بستگی ندارد. در سال 1922 فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آن که در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد: (dR/dt(^2 - C/R+K=0 در واقع سال ها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است. اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد. بیشتر مشکلات نسبیت ناشی از خواصی است که که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلیدسی است، فیزیک دانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هر چند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک است و بس.
3- مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت هم چنان باقی است- در نسبیت فضا- زمان دارای انحناست. هر چه ماده بیشتر و چگال تر باشد، انحنای فضا بیشتر است. سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت انحنای فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آن که ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.
1- مشاهدات تجربی نشان می دهد که قانون جهانی گرانش نیوتن(یا حجم صفر نسبیت) باید مجدداً مورد بررسی قرار گیرد.
2- قانون دوم نیوتن نیاز به برسی مجدد دارد، اما نه به گونه که افزایش جرم(انرژی) را تا بی نهایت بپذیرد. جرم-انرژی بی نهایت در نسبیت مانند سرعت بی نهایت در مکانیک نیوتنی غیر واقعی و با مشاهدات تجربی ناسازگار است.
3- ساختار هندسی فضا تابع چگالی ماده است که از نیروی گرانش آن ایجاد می شود. به عبارت دیگر این نیروی گرانش است که ساختار هندسی فضا را شکل می دهد، نه شکل هندسی فضا موجب ایجاد پدیده ای می شود که ما آن را گرانش می نامیم. در واقع گرانش نه تنها یک نیروی اساسی است، بلکه منشاء تولید انرژی است.
4- در ساختار کلان جهان همان قانونی حاکم است که در کوچک ترین واحدهای کمیت های طبیعت حاکم است. یعنی قوانین جهان میکروسکپی را می توان به جهان ماکروسکپی تعمیم داد. در نتیجه مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را باید هم زمان مورد بررسی مجدد قرار داد و این کاری است که: Theory of CPH آن را انجام داده است.