Allgemeine Relativitätstheorie ist eine wissenschaftliche Theorie, die beschreibt, wie Materie, Energie, Zeit und Raum interagieren. Es wurde erstmals 1917 von Albert Einstein als Erweiterung seiner speziellen Relativitätstheorie veröffentlicht. Die Allgemeine Relativitätstheorie behandelt Raum und Zeit als eine einzige vereinheitlichte vierdimensionale „Raumzeit“; In der Allgemeinen Relativitätstheorie verformt Materie die Geometrie der Raumzeit, und Raumzeit-Verformungen bewirken, dass sich Materie bewegt, was wir als Gravitation sehen.
Die Grundannahme der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass die durch die Schwerkraft verursachten Kräfte und die durch die Beschleunigung verursachten Kräfte äquivalent sind. Wenn eine geschlossene Kiste beschleunigt wird, kann kein Experiment innerhalb der Kiste feststellen, ob die Kiste in einem Gravitationsfeld ruht oder durch den Raum beschleunigt wird. Dieses Prinzip, dass alle physikalischen Gesetze für beschleunigte Beobachter und Beobachter im Gravitationsfeld gleich sind, wird als Äquivalenzprinzip bezeichnet; es wurde experimentell auf mehr als zwölf Dezimalstellen Genauigkeit getestet.
Die wichtigste Konsequenz des Äquivalenzprinzips ist, dass der Raum nicht für alle Beobachter euklidisch sein kann. In einem gekrümmten Raum, wie beispielsweise einem verzogenen Blech, gelten die normalen Gesetze der Geometrie nicht immer. Es ist möglich, im gekrümmten Raum ein Dreieck zu konstruieren, dessen Winkel mehr oder weniger als 180 Grad ergeben, oder zwei parallele Linien zu zeichnen, die sich schneiden. Die spezielle Relativitätstheorie wird immer genauer, wenn die Krümmung der Raumzeit gegen Null geht; Wenn die Raumzeit flach ist, werden die beiden Theorien identisch. Wie Materie den Raum krümmt, wird mit den Einsteinschen Feldgleichungen berechnet, die die Form G = T haben; G beschreibt die Krümmung des Raumes, während T die Verteilung der Materie beschreibt.
Da der Raum gekrümmt ist, bewegen sich Objekte in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht immer in geraden Linien, genauso wie sich eine Kugel nicht in einer geraden Linie bewegt, wenn Sie sie in einen Trichter rollen. Ein frei fallendes Objekt nimmt immer den kürzesten Weg von Punkt A zu Punkt B, der nicht unbedingt eine gerade Linie ist; Die Linie, die es zurücklegt, wird als Geodäte bezeichnet. Die Abweichungen von geraden Linien sehen wir als Einfluss der „Schwerkraft“ – die Erde bewegt sich nicht geradlinig, weil die Sonne die Raumzeit in der Nähe der Erde verzerrt und sie sich auf einer elliptischen Bahn bewegt.
Da Gravitationskräfte und Beschleunigungskräfte völlig äquivalent sind, gelten alle Effekte auf ein sich schnell bewegendes Objekt in der speziellen Relativitätstheorie auch für Objekte tief in Gravitationsfeldern. Ein Objekt in der Nähe einer Gravitationsquelle sendet Doppler-verschobenes Licht aus, als würde es davonrasen. Objekte in der Nähe von Gravitationsquellen scheinen auch die Zeit zu verlangsamen und jedes einfallende Licht wird durch das Feld gebeugt. Dies kann dazu führen, dass eine starke Gravitationsquelle das Licht wie eine Linse beugt und entfernte Objekte in den Fokus bringt; Dieses Phänomen findet sich häufig in der Deep-Sky-Astronomie, bei der eine Galaxie das Licht einer anderen so beugt, dass mehrere Bilder erscheinen.