Fizik tarihinde bir devrim daha vardır ki ardından gelen birleştirme çabaları için diğer her fikirden daha çok esin kaynağı olmuştur. Bu devrim, elektrik ve manyetizma olgularının James Clerk Maxwell tarafından 1860’da birleştirilmesidir.

Maxwell, Michael Faraday’ın 1840’larda iki cisim arasındaki kuvvetin, boş uzayda nasıl iletilebileceği sorusuna yanıt olarak bulduğu alan kavramını kullandı. Bahsi geçen ‘alan’ kavramı, çoğumuzun fizik derslerinden aşina olduğu elektrik ve manyetik alan terimlerinden farklı değildir. Fiziksel olarak, uzayın her noktasında değişik değerler alabilen bir büyüklüğü tanımlar. Bu ‘uzay’ ise, içinde gerçekleşen olayları gözlemleyerek kuramlar üretmeye çalışılan hayali bir koordinat sistemidir. Uzayda dolaştığımızda ve sistemin diğer kolu olan zamanda ilerledikçe alanın değeri sürekli olarak değişir. Ve uzay içinde bulmaya çalışılan kuram, bu değişken değerlerin uzayda ve zamanda nasıl değiştiğini öngörmemizi sağlar. Sonuç ve asıl olarak bir alan, bir cisimden diğerine kuvvet aktarımını sağlar.

Faraday’ın araştırmış olduğu alanlardan biri elektrik alandır ve vektörle tanımlanan bir büyüklüktür. Bir vektörü uzayda belli bir boyda belli bir yöne bakan bir ok olarak düşünebiliriz. Uzayın her noktasında böyle oklar hayal edelim ve komşu oklar birbirine lastiklerle bağlı olsun. Eğer biri çekilirse, komşuları da bundan etkilenecektir. Elektrik yükleri de okların dizilimini değiştirecektir: Oklar uçlarını eksi yüklere sırtlarını da artı yüklere dönerler. Faraday, manyetizma üzerine de çalışmıştı. Bunun için manyetik alan adını verdiği başka tür oklar kullandı. Bu oklar da elektrik alanın elektrik yüklerine göre dizilmesine benzer olarak bir mıknatısın kutuplarına göre yönelirler.

   Faraday, elektrik ve manyetik alanların yakınlardaki yüklerden, mıknatıslardan ve diğer alan oklarından nasıl etkilendiğini açıklayan basit yasalar önerdi. Ve bu yasaların deneylerle uyum içinde öngörüleri olduğu bulundu.

O zamanın önemli keşiflerinden biri, manyetik ve elektrik alanların birbirine karıştığı olaylardı. Örneğin bir çember üzerinde hareket eden bir elektrik yükü manyetik alanlara yol açıyordu. Maxwell, bu gözlemlerin manyetizma ve elektrik olgularının birleştirilmesine işaret ettiğini fark etti. Tam bir birleştirme için, kendi ismindeki meşhur denklemlerini değiştirmesi gerekti. Yeni denklemleri, elektrik ve manyetik alanların birbirlerine dönüşmesine izin veriyordu. Bu dönüşümler bir noktadaki alanın elektrik ve manyetik alanlar arasında salınmasına yol açıyor (lastiklerin komşularından etkilenmesini düşünün) ve uzayda dalgalar halinde hareket edebiliyorlardı.

Bu tür dalgalar bir elektrik yükünün ileri geri salınmasıyla oluşturulabiliyor ve bir noktadan diğerine enerji iletilebiliyordu. En şaşırtıcı şey ise, Maxwell’in bu dalgaların hızını hesaplayıp ışık hızıyla aynı olduğunu bulmasıydı. O anda fark etmiş olmalıydı ki elektrik ve manyetik alanların bir araya gelerek oluşturduğu dalgalar ışıktı.

Hatırı sayılır bir zafer kazanmış olmasına rağmen, Maxwell’in birleşik kuramı çok önemli bir engelle karşı karşıyaydı. 19. yüzyılın ortasında birçok fizikçi fiziğin birleşmiş olduğuna inanıyordu, çünkü her şey maddeden oluşmuştu (bu, Newton yasalarının geçerliliği için gerekliydi). Bu fikre inanan ‘mekanikçiler’ için uzayda dalgalanan bir alan, kabul etmesi zor bir kavramdı. Onlar için Maxwell kuramı anlamsızdı çünkü elektrik ve manyetik alanların arkasındaki esas gerçekliğin, eğilip bükülen bir nesne olması gerektiğini düşünüyorlardı: Işık, bir çiçekten gözümüze ulaşırken bir şey titriyor olmalıydı. Bu, mekanikçilerin her olayı maddi bir sürece indirgeme güdüsünden kaynaklanan bir yanılgıydı.

Problem aslen şöyle tezahür ediyordu: Işık bize Güneş’ten ve yıldızlardan ulaşır ancak dış uzayda madde yoktur. Eğer maddesel bir ortam, ışığın iletimini sağlıyorsa gezegenlerin hareketini de etkilemelidir, ki bu gerçek olsaydı bu etki yüzden hepsi çoktan Güneş’e düşmüş olmalıydı. Bu durumda elektrik ve manyetik alanlar boşlukta nasıl var olabilirdi?

Böylelikle mekanikçiler bir tür madde icat ettiler. Uzayı bununla doldurdular ve adına ‘esir’ dediler. Esir paradoksal özelliklere sahipti; çok yoğun ve sıkı olmalıydı ki ışık onun içinde gezinebilsin ve bir tür ses dalgası gibi davranabilsin. Işık hızının ses hızından çok fazla olması, bu inanılmaz yoğunluğa yol açıyordu. Aynı zamanda, esir maddenin hareketine hiçbir engel oluşturmamalıydı. Bunları bağdaştırmak göründüğünden çok daha zordur. Basitçe esir ve maddenin etkileşmediği kabul edilebilirdi ancak ışık esir içinde dolanan bir dalgaysa, madde tarafından nasıl algılanıyordu? Bütün bunlara gerçek olmasa da zekice açıklamalar getirenlere profesörlük unvanı verilmiş olmasına şaşırmamak gerekir.

Esir kuramı geliştirilirken, fizikçilerin madde kavramı hakkındaki görüşleri de değişmeye başlamıştı. 19. yüzyılın başlarında birçok fizikçi, maddenin sürekli olduğunu düşünüyordu. Ama yüzyılın sonuna doğru elektronun keşfiyle, maddenin atomsal kuramı -en azından bazı fizikçiler tarafından- ciddiye alınmaya başlamıştı. Fakat esir kuramını ve atom fiziğini bir arada düşünmek bir soruya yol açıyordu: Esir dünyasında elektronları ve atomları nasıl betimleyecektik?

   Elimizdeki kuramın atom fiziği gerçekleri ile bağdaştırılamaması dışında bir problem daha vardı: Maxwell kuramı, Newton fiziğinin görelilik kavramıyla çelişki içindeydi. Anlaşılıyordu ki, elektromanyetik alanları inceleyen bir gözlemci, hareket edip etmediğini anlayabilecekti. Bu durum, her biri Newton fiziği için merkezi önemde olan, iki birleştirme arasında ciddi bir çelişkiye yol açıyordu: Her şeyin Newton yasaları çerçevesinde madde olarak birleştirilmesi ve hareket ile hareketsizliğin birleştirilmesi. Birçok fizikçi için bu ikilemden kurtulmanın yolu apaçıktı: Maddi bir evren fikri her şeyden -hatta kaza eseri birleştirilmiş gözüken durma ve hareket etme kavramlarından da- önemliydi.

   Yine de bazıları görelilik kavramının daha merkezi olduğunu düşünmeye devam ettiler. Bunlardan biri Zürih’te okumakta olan Albert Einstein’dı. Bu bilmece üzerine on altı yaşından başlayarak on yıl kadar düşündü ve nihayetinde, 1905 yılında, çözümün uzay ve zaman hakkındaki anlayışımızın tamamen gözden geçirilmesinden geçtiğini anladı.

   Einstein’ın esin kaynağı, Newton ve Galileo’nun, hareketin göreliliğini göstermek için başvurdukları yöntemin bir benzeriydi: Elektrik ve manyetik olaylar arasındaki farklılığın, gözlemcinin hareketinden kaynaklandığını fark etmişti. Kısacası elektromanyetizma, Maxwell’in düşündüğünden bile daha derin bir birleştirme fikrine dayanıyordu. Bu fikir, sadece elektrik ve manyetik olayların tek bir olgunun değişik yüzleri olduğuyla kalmıyor, değişik gözlemcilerin bu iki yüz arasındaki farklılıkları da farklı şekilde betimleyeceğini öneriyordu. Örneğin bir gözlemci, belirli bir olayı sadece elektrik alanlarla açıklayabilirken, o gözlemciye göre sabit bir hızla hareket eden başka bir gözlemci, aynı olayı açıklarken manyetizmaya da ihtiyaç duyabiliyordu. Böylelikle Einstein’ın özel görelilik kuramı doğmuş bulunuyordu; Newton’ın hareket ve hareketsizliği birleştirmesi ile Maxwell’in elektrik ve manyetik olayları birleştirmesi birleştirilmişti.

   Bu çıkarımın sonucunda anlaşıldı ki ışık -yani elektromanyetik dalgalar- gözlemciden bağımsız, evrensel bir hıza sahip olmalı, uzay ve zaman kavramları birleştirilmeliydi. Böylece, göreceliğin anlaşılması için elzem olan ve sabit olarak alınması gereken büyüklük, ışık hızı olarak belirlendi. Daha önce kesin bir ayrım vardı: Zaman evrenseldi ve her gözlemci, iki olayın eş zamanlılığı hakkında aynı fikirde olabiliyordu. Einstein gösterdi ki, birbirlerine göre hareket eden gözlemciler için değişik yerlerde olan olayların eş zamanlılığı, değişmez bir olgu değildi.

Mekanikçilerin fiziği birleştirmek için güzel bir fikri vardı: Her şey maddedir. Einstein bundan daha farklı bir birleştirmeye inanıyordu: Hareket ve hareketsizlik aynı şeydir. Eğer mekanikçilere inanıyorsanız, bir gözlemcinin kendi hızını esire bağlı olarak ölçebileceğine de inanmanız gerekir. Einstein’a inanıyorsanız bunun imkânsız olacağını bilirsiniz, çünkü bütün gözlemciler birbirine göre eşdeğerdir. Einstein fikrini desteklemek için daha da derin bir birleştirmeye ihtiyaç duydu: Uzay ve zamanın birleştirilmesi. Her durumda da daha önce kesinlikle değişik olduğu düşünülen iki kavram arasındaki farkların, sadece gözlemcilerin birbirine göre olan hareketinden kaynaklandığı anlaşıldı.

Einstein’ın 1905’te özel görelilik kuramını önermesinden önce, dünyanın esire bağıl hareketini meydana çıkarmak için birçok deney yapılmıştı; bunların hepsi başarısız oldu. Einstein’ın bu deneylerden haberdar olup olmadığını bilmiyoruz ama bu sonuçlar ona sadece destek olabilirdi. Çünkü kendisi bağıl hareketin fark edilemez olduğuna çoktan kanaat getirmişti. Fizikçilerin çoğu özel görelilik kuramını benimsediğinde, Einstein çok daha ileriye yönelmişti bile.