мини|десно|236px|Тест опште релативности високе прецизности помоћу свемирске сонде Касини (уметнички приказ): радио сигнали послати између Земље и сонде (зелени талас) касне услед закривљења простор-времена (плаве линије) због Сунчеве масе.

Општа теорија релативности је теорија гравитације коју је развио Алберт Ајнштајн између 1907. и 1915. године. Општа теорија релативности тврди да је посматрани гравитациони ефекат између маса резултат њиховог закривљења простор-времена.

До почетка 20. века, Њутнов закон универзалне гравитације био је прихваћен више од две стотине година као валидан опис гравитационе силе између маса. У Њутновом моделу, гравитација је резултат привлачне силе између масивних објеката. Иако је и самог Њутна мучила непозната природа те силе, основни оквир био је изузетно успешан у описивању кретања.

Експерименти и посматрања показују да Ајнштајнов опис гравитације објашњава неколико ефеката које Њутнов закон не може да објасни, као што су ситне аномалије у орбитама Меркура и других планета. Општа релативност такође предвиђа нове ефекте гравитације, као што су гравитациони таласи, гравитациона сочива и ефекат гравитације на време познат као гравитациона временска дилатација. Многа од ових предвиђања су потврђена експериментом или посматрањем, а најскорије и гравитациони таласи.

Општа релативност се развила у суштински алат у модерној астрофизици. Она пружа основу за тренутно разумевање црних рупа, региона свемира где је гравитациони ефекат толико јак да чак ни светлост не може да побегне. Сматра се да је њихова јака гравитација одговорна за интензивно зрачење које емитују одређене врсте астрономских објеката (као што су активна галактичка језгра или микроквазари). Општа релативност је такође део оквира стандардног модела Великог праска у космологији.

Иако општа релативност није једина релативистичка теорија гравитације, она је најједноставнија која је у складу са експерименталним подацима. Ипак, остаје бројна отворена питања, од којих је најфундаменталније како се општа релативност може помирити са законима квантне физике како би се произвела потпуна и самодоследна теорија квантне гравитације.

Од специјалне ка општој релативности

У септембру 1905. године, Алберт Ајнштајн је објавио своју теорију специјалне релативности, која помирује Њутнове законе кретања са електродинамиком (интеракција између објеката са електричним наелектрисањем). Специјална релативност увела је нови оквир за сву физику предлажући нове концепте простора и времена. Неке тада прихваћене физичке теорије биле су недоследне са тим оквиром; кључни пример била је Њутнова теорија гравитације, која описује узајамно привлачење које тела осећају због своје масе.

Неколико физичара, укључујући Ајнштајна, тражило је теорију која би помирила Њутнов закон гравитације и специјалну релативност. Само се Ајнштајнова теорија показала доследном са експериментима и посматрањима. Да би се разумеле основне идеје теорије, поучно је пратити Ајнштајново размишљање између 1907. и 1915. године, од његовог једноставног мисаоног експеримента који укључује посматрача у слободном паду до његове потпуно геометријске теорије гравитације.Овај развој је праћен нпр. у , у поглављима 9 до 15 књиге , и у . Сажетак Њутнове гравитације може се наћи у . Немогуће је рећи да ли је проблем Њутнове гравитације пао Ајнштајну на памет пре 1907. године, али, према његовом сопственом признању, његови први озбиљни покушаји да помири ту теорију са специјалном релативношћу датирају из те године, уп. .

Принцип еквиваленције

Особа у лифту који слободно пада доживљава бестежинско стање; објекти или лебде непомично или плутају константном брзином. Пошто све у лифту пада заједно, никакав гравитациони ефекат се не може приметити. На овај начин, искуства посматрача у слободном паду се не разликују од искустава посматрача у дубоком свемиру, далеко од било ког значајног извора гравитације. Такви посматрачи су привилеговани („инерцијални”) посматрачи које је Ајнштајн описао у својој теорији специјалне релативности: посматрачи за које светлост путује дуж правих линија константном брзином.Ово је детаљно описано у поглављу 2 књиге .

Ајнштајн је претпоставио да слична искуства бестежинских посматрача и инерцијалних посматрача у специјалној релативности представљају фундаментално својство гравитације, и учинио је то каменом темељцем своје теорије опште релативности, формализоване у његовом принципу еквиваленције. Грубо говорећи, принцип наводи да особа у лифту који слободно пада не може рећи да је у слободном паду. Сваки експеримент у таквом окружењу слободног пада има исте резултате као што би имао за посматрача који мирује или се креће равномерно у дубоком свемиру, далеко од свих извора гравитације.Иако је принцип еквиваленције још увек део модерних излагања опште релативности, постоје неке разлике између модерне верзије и Ајнштајновог оригиналног концепта, уп. .

Гравитација и убрзање мини|десно|236px|alt=погледај суседни текст|Лопта која пада на под у ракети која убрзава (лево) и на Земљи (десно). Ефекат је идентичан. Већина ефеката гравитације нестаје у слободном паду, али ефекти који изгледају исто као ефекти гравитације могу се произвести у убрзаном референтном систему. Посматрач у затвореној соби не може рећи који од следећа два сценарија је истинит: Објекти падају на под јер соба стоји на површини Земље и објекти су привучени гравитацијом. Објекти падају на под јер је соба у ракети у свемиру, која убрзава са 9,81 m/s2, што је гравитационо убрзање на Земљи, и далеко је од било ког извора гравитације. Објекти су привучени ка поду истом „инерцијалном силом” која притиска возача аутомобила који убрзава у наслон његовог седишта.

Обрнуто, сваки ефекат примећен у убрзаном референтном систему требало би такође да буде примећен у гравитационом пољу одговарајуће јачине. Овај принцип је омогућио Ајнштајну да предвиди неколико нових ефеката гравитације 1907. године.

Посматрач у убрзаном референтном систему мора да уведе оно што физичари називају фиктивним силама да би објаснио убрзање које доживљавају посматрач и објекти око њега. У примеру возача који је притиснут у своје седиште, сила коју возач осећа је један пример; други је сила коју неко може осетити док вуче руке горе и ка споља ако покушава да се врти као чигра. Ајнштајнов главни увид био је да је константно, познато привлачење Земљиног гравитационог поља фундаментално исто као ове фиктивне силе.Нпр. . Сам Ајнштајн ово такође објашњава у одељку XX своје нетехничке књиге Einstein 1961. Следећи раније идеје Ернста Маха, Ајнштајн је такође истраживао центрифугалне силе и њихову гравитациону аналогију, уп. . Привидна магнитуда фиктивних сила увек изгледа пропорционална маси било ког објекта на који делују — на пример, седиште возача врши тачно довољно силе да убрза возача истом брзином као и аутомобил. По аналогији, Ајнштајн је предложио да објекат у гравитационом пољу треба да осећа гравитациону силу пропорционалну својој маси, као што је оличено у Њутновом закону гравитације.Ајнштајн је ово објаснио у одељку XX књиге Einstein 1961. Разматрао је објекат „обешен” о конопац са плафона собе у ракети која убрзава: изнутра собе изгледа као да гравитација вуче објекат на доле силом пропорционалном његовој маси, али споља ракете изгледа као да конопац једноставно преноси убрзање ракете на објекат, и стога мора да врши тачно ту „силу” да би то урадио.

Физичке последице Године 1907. Ајнштајн је још увек био осам година удаљен од завршетка опште теорије релативности. Ипак, био је у стању да направи бројна нова, проверљива предвиђања која су била заснована на његовој полазној тачки за развој нове теорије: принципу еквиваленције.Тачније, Ајнштајнови прорачуни, који су описани у поглављу 11b књиге , користе принцип еквиваленције, еквиваленцију гравитације и инерцијалних сила, и резултате специјалне релативности за простирање светлости и за убрзане посматраче (ово последње разматрајући, у сваком тренутку, тренутни инерцијални систем референце повезан са таквим убрзаним посматрачем).

мини|лево|200px|Гравитациони црвени помак светлосног таласа док се креће навише насупрот гравитационог поља (узрокованог жутом звездом испод)

Први нови ефекат је гравитациони помак фреквенције светлости. Размотримо два посматрача у ракети која убрзава. У таквом броду постоји природан концепт „горе” и „доле”: правац у којем брод убрзава је „горе”, а објекти који слободно плутају убрзавају у супротном смеру, падајући „надоле”. Претпоставимо да је један од посматрача „више” од другог. Када доњи посматрач пошаље светлосни сигнал вишем посматрачу, убрзање брода изазива да светлост буде црвено померена, као што се може израчунати из специјалне релативности; други посматрач ће измерити нижу фреквенцију за светлост него што ју је први послао. Обрнуто, светлост послата од вишег посматрача ка нижем је плаво померена, то јест, померена ка вишим фреквенцијама.Овај ефекат се може извести директно у оквиру специјалне релативности, било посматрањем еквивалентне ситуације два посматрача у убрзаној ракети или посматрањем лифта који пада; у обе ситуације, помак фреквенције има еквивалентан опис као Доплеров ефекат између одређених инерцијалних система. За једноставна извођења овога, погледајте . Ајнштајн је тврдио да такви помаци фреквенције такође морају бити примећени у гравитационом пољу. Ово је илустровано на слици лево, која приказује светлосни талас који је постепено црвено померен како се пробија навише насупрот гравитационог убрзања. Овај ефекат је потврђен експериментално.

Овај гравитациони помак фреквенције одговара гравитационој временској дилатацији: Пошто „виши” посматрач мери да исти светлосни талас има нижу фреквенцију него „доњи” посматрач, време мора пролазити брже за вишег посматрача. Дакле, време тече спорије за посматраче што су ниже у гравитационом пољу.

Важно је нагласити да, за сваког посматрача, нема приметних промена у току времена за догађаје или процесе који мирују у његовом или њеном референтном систему. Јаја од пет минута мерена сатом сваког посматрача имају исту конзистенцију; како једна година пролази на сваком сату, сваки посматрач стари за тај износ; сваки сат је, укратко, у савршеном складу са свим процесима који се дешавају у његовој непосредној близини. Тек када се сатови упореде између раздвојених посматрача, може се приметити да време тече спорије за доњег посматрача него за вишег.Погледајте поглавље 12 књиге . Овај ефекат је ситан, али је и он потврђен експериментално у вишеструким експериментима.

На сличан начин, Ајнштајн је предвидео гравитационо савијање светлости: у гравитационом пољу, светлост се савија надоле, ка центру гравитационог поља. Квантитативно, његови резултати су били погрешни за фактор два; исправно извођење захтева потпунију формулацију теорије опште релативности, не само принцип еквиваленције.Уп. ; за нетехничку презентацију, погледајте .

Плимски ефекти мини|150px|Два тела која падају ка центру Земље убрзавају једно ка другом док падају. Еквиваленција између гравитационих и инерцијалних ефеката не чини потпуну теорију гравитације. Када је реч о објашњавању гравитације близу наше сопствене локације на површини Земље, примећивање да наш референтни систем није у слободном паду, тако да се очекују фиктивне силе, пружа погодно објашњење. Али референтни систем у слободном паду на једној страни Земље не може да објасни зашто људи на супротној страни Земље осећају гравитационо привлачење у супротном смеру.