La relatività generale è una teoria scientifica che descrive come interagiscono materia, energia, tempo e spazio. Fu pubblicato per la prima volta da Albert Einstein nel 1917 come estensione della sua teoria della relatività ristretta. La relatività generale tratta lo spazio e il tempo come un unico “spaziotempo” quadridimensionale unificato; sotto la relatività generale, la materia deforma la geometria dello spaziotempo e le deformazioni dello spaziotempo fanno muovere la materia, che vediamo come gravità.
L’assunto di base della relatività generale è che le forze causate dalla gravità e le forze causate dall’accelerazione sono equivalenti. Se una scatola chiusa sta subendo un’accelerazione, nessun esperimento fatto all’interno della scatola può dire se la scatola è a riposo all’interno di un campo gravitazionale, o viene accelerata attraverso lo spazio. Questo principio, che tutte le leggi fisiche sono le stesse per osservatori accelerati e osservatori in un campo gravitazionale, è noto come principio di equivalenza; è stato testato sperimentalmente con una precisione di oltre dodici decimali.
La conseguenza più importante del principio di equivalenza è che lo spazio non può essere euclideo per tutti gli osservatori. Nello spazio curvo, come un foglio deformato, le normali leggi della geometria non sempre valgono. Nello spazio curvo è possibile costruire un triangolo la cui somma degli angoli è maggiore o minore di 180 gradi, oppure tracciare due linee parallele che si intersecano. La relatività ristretta diventa sempre più accurata man mano che la curvatura dello spaziotempo va a zero; se lo spaziotempo è piatto, le due teorie diventano identiche. Come la materia curva lo spazio viene calcolato utilizzando le equazioni di campo di Einstein, che assumono la forma G = T; G descrive la curvatura dello spazio, mentre T descrive la distribuzione della materia.
Poiché lo spazio è curvo, gli oggetti nella relatività generale non si muovono sempre in linea retta, proprio come una palla non si muoverà in linea retta se la fai rotolare in un imbuto. Un oggetto in caduta libera prenderà sempre il percorso più breve dal punto A al punto B, che non è necessariamente una linea retta; la linea che percorre è nota come geodetica. Vediamo le deviazioni dalle linee rette come l’influenza della “gravità”: la Terra non si muove in linea retta perché il Sole deforma lo spaziotempo nelle vicinanze della Terra, facendola muovere in un’orbita ellittica.
Poiché le forze gravitazionali e le forze di accelerazione sono completamente equivalenti, tutti gli effetti su un oggetto in rapido movimento nella relatività speciale si applicano anche agli oggetti profondi nei campi gravitazionali. Un oggetto vicino a una fonte di gravità emetterà luce con effetto Doppler, proprio come se si stesse allontanando a tutta velocità. Anche gli oggetti vicini a sorgenti gravitazionali sembreranno rallentare il tempo e qualsiasi luce in arrivo sarà piegata dal campo. Ciò può far sì che una forte fonte di gravità pieghi la luce come una lente, mettendo a fuoco oggetti distanti; questo fenomeno si trova spesso nell’astronomia del cielo profondo, dove una galassia piegherà la luce di un’altra in modo che appaiano più immagini.