Vad är allmän relativitet?

Allmän relativitet är en vetenskaplig teori som beskriver hur materia, energi, tid och rymd interagerar. Det publicerades först av Albert Einstein 1917 som en förlängning till hans teori om speciell relativitet. Allmän relativitet behandlar rum och tid som en enda enhetlig fyra-dimensionell "rymdtid"; under allmän relativitet, deformerar materien rymdtidens geometri, och rymdtidsdeformationer får materien att röra sig, vilket vi ser som gravitation.

Det grundläggande antagandet om allmän relativitet är att krafter orsakade av gravitation och krafter orsakade av acceleration är likvärdiga. Om en stängd låda genomgår acceleration, kan inget experiment som görs i rutan säga om lådan ligger i vila inom ett gravitationsfält eller påskyndas genom rymden. Denna princip, att alla fysiska lagar är desamma för påskyndade observatörer och observatörer i ett gravitationsfält, är känd som ekvivalensprincipen; det har testats experimentellt till mer än tolv decimaler för noggrannhet.

Den viktigaste konsekvensen av ekvivalensprincipen är att rymden inte kan vara euklidisk för alla observatörer. I krökt utrymme, t.ex. ett snett ark, gäller inte alltid de normala lagarna för geometri. Det är i krökt utrymme möjligt att konstruera en triangel vars vinklar lägger till mer eller mindre än 180 grader, eller att rita två parallella linjer som korsar varandra. Speciell relativitet blir mer och mer exakt när rymdtidens krökning går till noll; om rymdtiden är platt blir de två teorierna identiska. Hur materiens kurvor rymden beräknas med hjälp av Einstein-fältekvationerna, som har formen G = T; G beskriver utrymmets krökning, medan T beskriver materiens fördelning.

Eftersom utrymmet är krökt rör sig objekt i allmän relativitet inte alltid i raka linjer, precis som en boll inte kommer att röra sig i en rak linje om du rullar den in i en tratt. Ett fritt fallande föremål tar alltid den kortaste vägen från punkt A till punkt B, vilket inte nödvändigtvis är en rak linje; linjen som den går är känd som en geodesik. Vi ser avvikelserna från raka linjer som påverkan av "tyngdkraften" - Jorden rör sig inte i en rak linje eftersom solen varpar i rymden i jordens närhet, vilket gör att den rör sig i en elliptisk bana.

Eftersom gravitationskrafter och accelerationskrafter är helt likvärdiga, gäller alla effekterna på ett snabbt rörande objekt i speciell relativitet även för föremål djupt i gravitationsfält. Ett objekt nära en tyngdkraftkälla kommer att avge Doppler-skiftat ljus, precis som om det var på väg snabbare. Objekt nära gravitationskällor verkar också ha tid att sakta ner, och allt inkommande ljus böjs av fältet. Detta kan orsaka att en stark gravitationskälla böjer ljuset som en lins och ger avlägsna föremål i fokus; detta fenomen finns ofta i djup himmelens astronomi, där en galax kommer att böja ljuset från en annan så att flera bilder dyker upp.