Günlük yaşamda zamanın herkes için aynı hızla aktığını varsayarız. Bir saatin bir yerde bir saniyelik süreyi gösterdiğini, başka bir yerdeki saatin de aynı süreyi bir saniye olarak göstereceğini düşünürüz. On yedinci yüzyılda Isaac Newton da zamanı, evrenin her yerinde aynı biçimde akan mutlak bir büyüklük olarak tanımlamıştı. Bu görüş, yaklaşık iki yüzyıl boyunca fizik biliminin sarsılmaz temellerinden biri olarak kabul edildi. Ancak yirminci yüzyılın başında genç bir fizikçi, bu görüşün yanlış olduğunu öne sürdü.

1905 yılında, o dönemde İsviçre'de bir patent bürosunda çalışan Albert Einstein, özel görelilik kuramını yayımladı. Einstein'ın kuramı iki temel varsayıma dayanıyordu. Birincisi, fizik yasalarının birbirine göre sabit hızla hareket eden bütün gözlemciler için aynı olmasıydı. İkincisi ise ışığın boşluktaki hızının, ışık kaynağının ya da gözlemcinin hareketinden bağımsız olarak her gözlemci için aynı olmasıydı. Bu ikinci varsayım, gündelik sezgilerimize son derece aykırıdır.

Gündelik deneyimlerimizde hızlar birbirine eklenir. Saatte yüz kilometre hızla giden bir trenin içinde, trenin hareket yönünde saatte on kilometre hızla koşan bir yolcu, raylardaki birine göre saatte yüz on kilometre hızla hareket eder. Einstein'a göre ışık için durum böyle değildir. Bir uzay aracından ileriye doğru bir ışık demeti gönderildiğinde, aracın hızı ne olursa olsun, dışarıdaki bir gözlemci bu ışığın hızını yine aynı değerde ölçer. Bu tuhaf gerçek, deneylerle defalarca doğrulanmıştır.

Işık hızının herkes için aynı olması, şaşırtıcı bir sonuç doğurur: Zaman, gözlemcilere göre farklı akabilir. Bunu anlamak için Einstein'ın sevdiği bir düşünce deneyini ele alalım. Hareket eden bir trenin içinde, iki ayna arasında yukarı aşağı gidip gelen bir ışık demetinden oluşan bir saat bulunduğunu düşünelim. Trendeki yolcu için ışık düz bir çizgi boyunca yukarı aşağı hareket eder. Dışarıdaki bir gözlemci içinse ışık, tren ilerlediği için çapraz ve daha uzun bir yol izler. Işığın hızı her iki gözlemci için aynı olduğuna göre, dışarıdaki gözlemci için ışığın bu uzun yolu almasının daha fazla zaman alması gerekir.

Bu durum, dışarıdaki gözlemcinin trendeki saatin daha yavaş işlediğini görmesi anlamına gelir. Bu olaya zaman genişlemesi adı verilir. Zaman genişlemesi, gündelik hızlarda o kadar küçüktür ki fark edilmesi mümkün değildir. Ancak hız ışık hızına yaklaştıkça etki belirgin biçimde büyür. Işık hızına çok yakın bir hızla yolculuk yapan bir astronot, Dünya'ya döndüğünde kendisi için yalnızca birkaç yıl geçmişken Dünya'da onlarca yıl geçtiğini görebilir. İkizler paradoksu olarak bilinen bu durum, kuramın en çok tartışılan sonuçlarından biridir.

Zaman genişlemesi, yalnızca kuramsal bir merak değildir. Atmosferin üst katmanlarında kozmik ışınların etkisiyle oluşan müon adlı parçacıklar, çok kısa bir ömre sahiptir. Bu parçacıkların yeryüzüne ulaşamadan bozunması gerekirdi. Oysa müonların önemli bir kısmı yeryüzüne ulaşabilmektedir. Bunun nedeni, ışık hızına yakın bir hızla hareket eden müonların zamanının, bizim bakış açımızdan yavaş akmasıdır. 1971 yılında yapılan bir deneyde ise son derece hassas atom saatleri uçaklarla Dünya'nın çevresinde dolaştırılmış ve yerdeki saatlerle karşılaştırıldığında, kuramın öngördüğü küçük farklar ölçülmüştür.

Einstein, 1915 yılında yayımladığı genel görelilik kuramıyla bu düşünceleri daha da ileri taşıdı. Bu kurama göre kütle çekimi, kütlenin uzay ve zamanı bükmesinin bir sonucudur. Kuramın şaşırtıcı sonuçlarından biri, kütle çekiminin de zamanın akışını etkilemesidir. Güçlü bir kütle çekim alanında zaman, zayıf bir alana göre daha yavaş akar. Bu nedenle Dünya yüzeyindeki bir saat, yüksek bir dağın tepesindeki ya da uzaydaki bir saate göre çok az da olsa daha yavaş işler.

Bu etkilerin günlük yaşamımızdaki en somut örneği, konum belirleme sistemleridir. Telefonlarımızdaki ve araçlarımızdaki konum belirleme cihazları, Dünya'nın çevresinde dönen uydulardan gelen sinyalleri kullanır. Bu uyduların üzerindeki atom saatleri, hem uyduların hızı hem de Dünya'nın kütle çekiminden daha uzakta olmaları nedeniyle yerdeki saatlerden farklı hızda işler. Bu iki etki birbirine zıt yönlerde çalışsa da toplamda uydudaki saatler her gün yerdeki saatlerden biraz ileri gider.

Bu fark, yalnızca milyonda bir saniye düzeyindedir. Ancak konum belirleme sistemleri, sinyallerin yolculuk süresini son derece hassas biçimde ölçerek konum hesapladığı için bu küçük fark bile büyük hatalara yol açabilir. Eğer görelilik etkileri hesaba katılmasaydı, sistemin verdiği konum bilgisi her gün kilometrelerce sapardı. Mühendisler, uydulardaki saatleri bu etkileri dengeleyecek biçimde ayarlar. Böylece Einstein'ın kuramı, her gün milyonlarca insanın yolunu bulmasına sessizce yardım eder.

Görelilik kuramı, zaman ve uzayın birbirinden bağımsız olmadığını, gözlemciye göre değişebilen tek bir uzay zaman dokusunun parçaları olduğunu göstermiştir. Sezgilerimize aykırı görünen bu düşünce, bugün modern fiziğin en sağlam biçimde sınanmış kuramlarından biridir.