Οι σύγχρονες ιδέες που έχουμε για την κίνηση των σωμάτων προέρχονται από τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα. Πριν από αυτούς, οι άνθρωποι πίστευαν την άποψη του Αριστοτέλη που υποστήριζε ότι το φυσικό για ένα σώμα είναι η ακινησία και ότι η κίνηση δημιουργείται μόνο όταν υπάρχει μία δύναμη που θα την προκαλέσει. Με αυτό τον ορισμό συνεπάγεται ότι ένα βαρύ σώμα πρέπει να πέφτει πιο γρήγορα προς τη Γη, αφού η δύναμη που το ωθεί είναι μεγαλύτερη. Κανείς λοιπόν δεν είχε εξετάσει τέτοια ζητήματα, αν πρακτικά ίσχυαν, μέχρι που το έκανε ο Γαλιλαίος.
Το πείραμα που έκανε ήταν ότι άφησε δύο σφαίρες με διαφορετικό βάρος να κυλήσουν πάνω σε ένα κεκλιμένο επίπεδο, που είναι η ίδια κατάσταση αν αφήσεις ένα σώμα να πέφτει κατακόρυφα. Στην περίπτωση όμως του κεκλιμένου επιπέδου η παρατήρηση είναι πιο εύκολη, γιατί οι ταχύτητες είναι χαμηλότερες.
Οι μετρήσεις έδειχναν ότι κάθε σώμα αυξάνει την ταχύτητά του με τον ίδιο ρυθμό ανεξάρτητα από το βάρος του. Θα σκεφτούμε φυσικά ότι ένα βαρίδι πέφτει πολύ πιο γρήγορα από ένα πούπουλο, αλλά αυτό συμβαίνει γιατί το δεύτερο επιβραδύνεται πολύ από την αντίσταση του αέρα. Αν κάναμε το πείραμα με δύο διαφορετικά βαρίδια θα βλέπαμε ότι πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό.
Αργότερα αυτή η λογική έγινε η βάση για τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα. Το σώμα που κυλούσε προς τα κάτω στο κεκλιμένο επίπεδο, άρχιζε να αυξάνει ταχύτητα ενώ η δύναμη που ασκούνταν πάνω του ήταν η ίδια, άρα η επίδραση της δύναμης δεν λειτουργούσε μόνο για να κάνει το σώμα να ξεκινήσει αλλά και για να αλλάζει την ταχύτητά του συνεχώς. Αυτό γίνεται γνωστό ως ο δεύτερος νόμος τους Νεύτωνα, ο οποίος αναφέρει ότι η επιτάχυνση (ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας) είναι ανάλογη με τη δύναμη που ασκείται στο σώμα. Για παράδειγμα, όταν η δύναμη είναι διπλάσια, είναι διπλάσια και η επιτάχυνση. Η επιτάχυνση όμως εξαρτάται και από την ποσότητα της ύλης που περιέχει το σώμα, δηλαδή από τη μάζα του. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μικρότερη είναι η επιτάχυνση, για παράδειγμα διπλάσια μάζα σημαίνει ότι η επιτάχυνση θα είναι μισή.
Ένα κλασικό παράδειγμα είναι το αυτοκίνητο. Όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη της μηχανής του, τόσο μεγαλύτερη επιτάχυνση έχει. Από την άλλη όσο μεγαλύτερο βάρος έχει τόσο πιο μικρή θα είναι η επιτάχυνσή του, σε σχέση με ένα άλλο αυτοκίνητο με ίδια δύναμη μηχανής αλλά μικρότερο βάρος.
Ο άλλος νόμος που ανακαλύπτει ο Νεύτων είναι αυτός της βαρύτητας. Όλα τα σώματα έλκονται μεταξύ τους με μία δύναμη ανάλογη της μάζας τους. Αυτό απαντά στο ερώτημα γιατί όλα τα σώματα πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό. Ένα σώμα με διπλάσιο βάρος, θα έλκεται από τη Γη με διπλάσια βαρυτική δύναμη, αλλά θα έχει και τη διπλάσια μάζα. Αυτές οι δύο επιδράσεις αλληλοεξουδετερώνονται, οπότε η επιτάχυνση θα είναι η ίδια. Ο νόμος του Νεύτωνα για τη βαρύτητα προβλέπει με ακρίβεια τις τροχιές της Γης και των πλανητών.
Η διαφορά των ιδεών του Αριστοτέλη από αυτές του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα, είναι ότι ο Αριστοτέλης πίστευε σε μία ιδανική κατάσταση απόλυτης ηρεμίας, στην οποία όλα τα σώματα θα βρίσκονταν αν δεν τα οδηγούσαν κάποιες δυνάμεις. Ο Αριστοτέλης πίστευε πως η Γη είναι ακίνητη, ενώ οι νόμοι του Νεύτωνα διαφωνούν με αυτό. Με αυτό συνεπάγεται ότι δεν μπορούν να προσδιοριστούν αν, δύο γεγονότα που συνέβησαν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, συνέβησαν και στο ίδιο σημείο του χώρου.
Ο Αριστοτέλης και ο Νεύτων πίστευαν στον απόλυτο χρόνο, ότι δηλαδή ο χρόνος μεταξύ δύο γεγονότων είναι συγκεκριμένος και αυτό μπορεί να το μετρήσει οποιοσδήποτε χρησιμοποιήσει ένα ακριβές ρολόι.
Το 1905 ο Albert Einstein εμφανίζει μία νέα θεωρία, τη θεωρία της σχετικότητας, σύμφωνα με την οποία οι νόμοι της φυσικής πρέπει να παραμένουν ίδιοι για όλους τους παρατηρητές ανεξάρτητα από την ταχύτητά τους και το ίδιο ισχύει και για την ταχύτητα του φωτός. Από αυτό βγαίνουν κάποια σημαντικά συμπεράσματα. Πρώτον είναι η ισοδυναμία ενέργειας και μάζας και η πιο γνωστή εξίσωση του Einstein: E = mc2. Δεύτερον ότι η μεγαλύτερη ταχύτητα που υπάρχει στο σύμπαν είναι η ταχύτητα του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια που αποκτά ένα αντικείμενο λόγω της κίνησής του προστίθεται στη μάζα του. Όσο λοιπόν ένα αντικείμενο πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός η μάζα του γίνεται όλο και μεγαλύτερη, έτσι χρειάζεται όλο και μεγαλύτερη ενέργεια για να αυξηθεί η ταχύτητά του. Στην πραγματικότητα δεν θα γινόταν ποτέ ένα αντικείμενο να φτάσει στην ταχύτητα του φωτός, γιατί η μάζα του θα γινόταν άπειρη όσο πλησίαζε. Αυτό με τη σειρά του έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία του Νεύτωνα. Ο Νεύτωνας υποστηρίζει ότι ο χώρος είναι κάτι σταθερό που δεν αλλάζει και ο χρόνος έχει πάντα τον ίδιο ρυθμό στο σύμπαν. Ο Einstein, με τη θεωρία της σχετικότητας, υποστηρίζει ότι τίποτα από τα δύο δεν είναι απόλυτο και το μόνο που είναι σταθερό είναι η ταχύτητα του φωτός. Επομένως, μας λέει:
-
Ο χρόνος δεν είναι ίδιος για όλους. Αν κινείσαι πιο γρήγορα ο χρόνος για εσένα κυλάει πιο αργά από ότι για κάποιον που μένει ακίνητος.
-
Ο χώρος μπορεί να συρρικνώνεται. Ένα αντικείμενο που κινείται με μεγάλη ταχύτητα «μικραίνει».
-
Ο Χώρος και ο Χρόνος είναι ένα ενιαίο πράγμα: ο Χωρόχρονος. Το ένα εξαρτάται από το άλλο και το ένα αλλάζει το άλλο.
Αυτά τα συμπεράσματα αποδεικνύονται περισσότερο όταν οι ταχύτητες των αντικειμένων πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Για παράδειγμα αν υπάρχουν δύο ρολόγια και το ένα μείνει στη Γη και το άλλο είναι μέσα σε ένα αεροπλάνο όπου θα διανύσει μία μεγάλη απόσταση με μεγάλη ταχύτητα, το δεύτερο θα έχει μία μικρή καθυστέρηση στην ώρα.
O Einstein εισάγει λοιπόν την τέταρτη διάσταση στην επιστήμη. Οι τρεις διαστάσεις είναι οι γνωστές: μήκος, πλάτος και ύψος. Με αυτές τις τρεις διαστάσεις μπορείς να περιγράψεις που βρίσκεται ένα αντικείμενο. Αλλά για να περιγράψεις ένα γεγονός πότε έγινε, χρειάζεται και η τέταρτη διάσταση, ο χρόνος. Ενώνεται λοιπόν ο χώρος με τον χρόνο και το ένα επηρεάζει το άλλο. Αν κινούμαστε πολύ γρήγορα ο χρόνος αλλάζει για εμάς. Αν ένα σώμα κινείται με μεγάλη ταχύτητα, ο χώρος κοντά του καμπυλώνεται και ο χρόνος επιβραδύνεται. Ο Einstein λέει επίσης ότι η βαρύτητα δεν είναι δύναμη, όπως υποστήριζε ο Νεύτωνας, αλλά η καμπύλωση των τεσσάρων διαστάσεων του χωροχρόνου από την μάζα και την ενέργεια. Όσο μεγαλύτερη είναι μία μάζα, τόσο πιο πολύ «βουλιάζει» στον χωρόχρονο και τόσο πιο πολύ επηρεάζεται η κίνησή της.
Ένα απλό παράδειγμα, που μπορεί να μας δείξει πως αυτή η τέταρτη διάσταση μας επηρεάζει στην καθημερινότητα, είναι όταν κλείνουμε ένα ραντεβού! Μπορείς να πεις ότι «Σε περιμένω στο καφέ στη γωνία της πλατείας». Αλλά αν δεν πεις ότι σε περιμένω στις «18:00» δεν έχει κανένα νόημα. Αυτό είναι η τέταρτη διάσταση!