Η Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι μια διάσημη θεωρία, αλλά είναι ελάχιστα κατανοητή. Η θεωρία της σχετικότητας αναφέρεται σε δύο διαφορετικά στοιχεία της ίδιας θεωρίας: τη γενική σχετικότητα και την ειδική σχετικότητα. Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας εισήχθη πρώτη και αργότερα θεωρήθηκε ως μια ειδική περίπτωση της πληρέστερης θεωρίας της γενικής σχετικότητας.

Η γενική σχετικότητα είναι μια θεωρία της βαρύτητας που ο Albert Einstein αναπτύχθηκε μεταξύ του 1907 και του 1915, με τη συμβολή πολλών άλλων μετά το 1915.

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιλαμβάνει τη διεπαφή πολλών διαφορετικών εννοιών, οι οποίες περιλαμβάνουν:

• Θεωρία του Αϊνστάιν της Ειδικής Σχετικότητας - εντοπισμένη συμπεριφορά αντικειμένων στα αδρανειακά πλαίσια αναφοράς, τα οποία γενικά αφορούν μόνο ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός
• Μετασχηματισμοί Lorentz - τις εξισώσεις μετασχηματισμού που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των αλλαγών συντεταγμένων υπό ειδική σχετικότητα
instagram viewer
• Θεωρία του Αϊνστάιν της Γενικής Σχετικότητας - την πληρέστερη θεωρία, η οποία αντιμετωπίζει τη βαρύτητα ως ένα γεωμετρικό φαινόμενο ενός καμπύλου συστήματος συντεταγμένων χωροχρόνου, το οποίο περιλαμβάνει επίσης και μη εδαφικά (δηλαδή επιταχυνόμενα) πλαίσια αναφοράς
• Θεμελιώδεις αρχές της σχετικότητας

Κλασσική σχετικότητα (οριζόμενο αρχικά από τον Galileo Galilei και εξευγενισμένο από τον κύριο Ισαάκ Νιούτον) περιλαμβάνει ένα απλό μετασχηματισμό μεταξύ ενός κινούμενου αντικειμένου και ενός παρατηρητή σε ένα άλλο αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς. Εάν περπατάτε σε μια κινούμενη αμαξοστοιχία, και κάποιος γραφείο στο έδαφος παρακολουθεί, η ταχύτητά σας σε σχέση με ο παρατηρητής θα είναι το άθροισμα της ταχύτητας σας σε σχέση με το τρένο και της ταχύτητας της αμαξοστοιχίας σε σχέση με το παρατηρητής. Βρίσκεστε σε ένα αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, το ίδιο το τρένο (και όποιος κάθεται πάνω σε αυτό) βρίσκεται σε ένα άλλο, και ο παρατηρητής βρίσκεται σε άλλο.

Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι το φως πιστεύεται, στην πλειοψηφία των δεκαετιών του 1800, να διαδοθεί ως ένα κύμα μέσω μιας καθολικής ουσία που είναι γνωστή ως αιθέρας, η οποία θα είχε καταγραφεί ως ξεχωριστό πλαίσιο αναφοράς (παρόμοιο με το τρένο στα παραπάνω παράδειγμα). Το φημισμένο Πείραμα Michelson-Morley, ωστόσο, δεν κατάφεραν να ανιχνεύσουν την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα και κανείς δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί. Κάτι ήταν λάθος με την κλασική ερμηνεία της σχετικότητας, καθώς εφαρμόζεται στο φως... και έτσι το πεδίο ήταν ώριμο για μια νέα ερμηνεία όταν ο Αϊνστάιν ήρθε μαζί.

Το 1905, Albert Einstein δημοσίευσε (μεταξύ άλλων) ένα έγγραφο που ονομάζεται "Σχετικά με την ηλεκτροδυναμική των κινούμενων σωμάτων" στο περιοδικό Annalen der Physik. Το έγγραφο παρουσίασε τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, με βάση δύο αξιώματα:

Αρχή της Σχετικότητας (Πρώτο Θέμα): Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλα τα αδρανή πλαίσια αναφοράς.

Αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός (Δεύτερο αξίωμα): Το φως διαδίδεται πάντοτε μέσω ενός κενού (δηλ. Κενός χώρος ή "ελεύθερος χώρος") με καθορισμένη ταχύτητα c, η οποία είναι ανεξάρτητη από την κατάσταση κίνησης του εκπεμπόμενου σώματος.

Στην πραγματικότητα, η εργασία παρουσιάζει μια πιο τυπική, μαθηματική διατύπωση των αξιωματικών. Η διατύπωση των αξιωματικών είναι ελαφρώς διαφορετική από το βιβλίο σε ένα εγχειρίδιο, λόγω των ζητημάτων μετάφρασης, από τα μαθηματικά Γερμανικά έως τα κατανοητά αγγλικά.

Ο δεύτερος αξιωματικός γράφεται συχνά λανθασμένα για να συμπεριλάβει ότι η ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό είναι ντο σε όλα τα πλαίσια αναφοράς. Αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα παράγωγο αποτέλεσμα των δύο αξιωματικών, και όχι μέρος του δεύτερου ίδιου του αξιώματος.

Το πρώτο postulate είναι λίγο πολύ κοινή λογική. Ο δεύτερος, όμως, ήταν η επανάσταση. Ο Αϊνστάιν είχε ήδη εισαγάγει το φωτονική θεωρία του φωτός στο έγγραφό του σχετικά με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (που καθιστούσε τον αιθέρα περιττό). Ο δεύτερος υποτιθέμενος, ως εκ τούτου, ήταν συνέπεια των μάζα φωτονίων που κινούνται με την ταχύτητα ντο σε κενό. Ο αιθέρας δεν είχε πλέον ιδιαίτερο ρόλο ως «απόλυτο» αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, οπότε δεν ήταν μόνο περιττό αλλά και ποιοτικά άχρηστο υπό την ειδική σχετικότητα.

Όσο για το ίδιο το χαρτί, ο στόχος ήταν να συμβιβάσει τις εξισώσεις Maxwell για ηλεκτρισμό και μαγνητισμό με την κίνηση των ηλεκτρονίων κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Το αποτέλεσμα του χαρτιού του Αϊνστάιν ήταν να εισαγάγει νέους μετασχηματισμούς συντεταγμένων, που ονομάζονται μετασχηματισμοί Lorentz, μεταξύ αδρανειακών πλαισίων αναφοράς. Σε χαμηλές ταχύτητες, αυτοί οι μετασχηματισμοί ήταν ουσιαστικά πανομοιότυποι με το κλασικό μοντέλο, αλλά σε υψηλές ταχύτητες, κοντά στην ταχύτητα του φωτός, παρήγαγαν ριζικά διαφορετικά αποτελέσματα.

Η ειδική σχετικότητα αποδίδει πολλές συνέπειες από την εφαρμογή μετασχηματισμών Lorentz σε υψηλές ταχύτητες (κοντά στην ταχύτητα του φωτός). Μεταξύ αυτών είναι:

• Χρονική διαστολή (συμπεριλαμβανομένου του δημοφιλούς «δίδυμου παράδοξου»)
• Μείωση του μήκους
• Μετασχηματισμός ταχύτητας
• Προσθετική σχετική ταχύτητα
• Σχετικιστική επίδραση Doppler
• Συγχρονισμός και συγχρονισμός ρολογιού
• Σχετική ορμή
• Σχετική κινητική ενέργεια
• Σχετική μάζα
• Σχετική συνολική ενέργεια

Επιπλέον, οι απλοί αλγεβρικοί χειρισμοί των παραπάνω εννοιών παρέχουν δύο σημαντικά αποτελέσματα που αξίζουν ατομική αναφορά.

Ο Αϊνστάιν μπόρεσε να δείξει ότι η μάζα και η ενέργεια σχετίζονταν με τη διάσημη φόρμουλα μι=mc2. Αυτή η σχέση αποδείχθηκε πιο δραματικά στον κόσμο όταν πυρηνικές βόμβες απελευθέρωσαν την ενέργεια της μάζας στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι στο τέλος του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου.

Κανένα αντικείμενο με μάζα δεν μπορεί να επιταχύνει με ακρίβεια την ταχύτητα του φωτός. Ένα άμαχο αντικείμενο, όπως ένα φωτόνιο, μπορεί να κινηθεί με την ταχύτητα του φωτός. (Ένα φωτόνιο δεν επιταχύνει, όμως, από τότε πάντα κινείται ακριβώς στο ταχύτητα του φωτός.)

Αλλά για ένα φυσικό αντικείμενο, η ταχύτητα του φωτός είναι ένα όριο. ο κινητική ενέργεια με την ταχύτητα του φωτός πηγαίνει στο άπειρο, οπότε δεν μπορεί ποτέ να επιτευχθεί με επιτάχυνση.

Μερικοί έχουν επισημάνει ότι ένα αντικείμενο θα μπορούσε θεωρητικά να κινηθεί σε μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός, αρκεί να μην επιταχύνει για να φτάσει εκείνη την ταχύτητα. Μέχρι στιγμής, όμως, καμία φυσική οντότητα δεν έχει εμφανίσει ποτέ αυτή την ιδιοκτησία.

Το 1908, Max Planck εφάρμοσε τον όρο "θεωρία της σχετικότητας" για να περιγράψει αυτές τις έννοιες, λόγω του βασικού ρόλου της σχετικότητας που διαδραματίζεται σε αυτά. Την εποχή εκείνη, φυσικά, ο όρος εφαρμοζόταν μόνο στην ειδική σχετικότητα, επειδή δεν υπήρχε ακόμη γενική σχετικότητα.

Η σχετικότητα του Αϊνστάιν δεν αγκαλιάστηκε αμέσως από τους φυσικούς ως σύνολο, διότι φαινόταν τόσο θεωρητική και αντίθετη. Όταν έλαβε το βραβείο Νόμπελ του 1921, ήταν ειδικά για τη λύση του φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και για τις "συνεισφορές του στη Θεωρητική Φυσική". Η σχετικότητα ήταν ακόμα υπερβολικά αμφιλεγόμενη για να αναφερθεί συγκεκριμένα.

Με την πάροδο του χρόνου, όμως, οι προβλέψεις της ειδικής σχετικότητας έχουν αποδειχθεί αληθείς. Για παράδειγμα, τα ρολόγια που μεταφέρονται σε όλο τον κόσμο έχουν δειχθεί ότι επιβραδύνουν τη διάρκεια που προβλέπεται από τη θεωρία.

Ο Albert Einstein δεν δημιούργησε τους μετασχηματισμούς συντεταγμένων που απαιτούνται για την ειδική σχετικότητα. Δεν χρειαζόταν επειδή οι μετασχηματισμοί του Lorentz που χρειαζόταν ήδη υπήρχαν. Ο Αϊνστάιν ήταν πλοίαρχος στην ανάληψη προηγούμενων εργασιών και στην προσαρμογή του σε νέες καταστάσεις και το έκανε με οι μετασχηματισμοί του Lorentz ακριβώς όπως είχε χρησιμοποιήσει τη λύση Planck του 1900 στην υπεριώδη καταστροφή σε μαύρη ακτινοβολία να σχεδιάσει τη λύση του στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, και έτσι να αναπτυχθεί το φωτονική θεωρία του φωτός.

Οι μετασχηματισμοί δημοσιεύθηκαν αρχικά από τον Joseph Larmor το 1897. Μια ελαφρώς διαφορετική έκδοση είχε δημοσιευθεί μια δεκαετία νωρίτερα από τον Woldemar Voigt, αλλά η έκδοση του είχε ένα τετράγωνο στην εξίσωση διαστολής χρόνου. Ακόμα και οι δύο εκδοχές της εξίσωσης δείχθηκαν αμετάβλητες κάτω από την εξίσωση του Maxwell.

Ο μαθηματικός και φυσικός Hendrik Antoon Lorentz πρότεινε την ιδέα μιας "τοπικής ώρας" για να εξηγήσει τη σχετική ταυτόχρονη 1895, και άρχισε να εργάζεται ανεξάρτητα σε παρόμοιους μετασχηματισμούς για να εξηγήσει το μηδενικό αποτέλεσμα στο Michelson-Morley πείραμα. Δημοσίευσε το μετασχηματισμό των συντεταγμένων του το 1899, προφανώς ακόμα αγνοώντας τη δημοσίευση του Larmor και πρόσθεσε την χρονική διαστολή του το 1904.

Το 1905, ο Henri Poincare τροποποίησε τις αλγεβρικές συνθέσεις και τις αποδιδόταν στον Lorentz με το όνομα "μετασχηματισμοί Lorentz", αλλάζοντας έτσι την ευκαιρία της Larmor στην αθανασία από αυτή την άποψη. Η διατύπωση του Poincare για τον μετασχηματισμό ήταν ουσιαστικά όμοια με εκείνη που θα χρησιμοποιούσε ο Αϊνστάιν.

Οι μετασχηματισμοί που εφαρμόζονται σε ένα τετραδιάστατο σύστημα συντεταγμένων, με τρεις χωρικές συντεταγμένες (Χ, y, & z) και μια εφάπαξ συντεταγμένη (t). Οι νέες συντεταγμένες υποδηλώνονται με ένα απόστροφο, προφέρεται "πρωταρχικό", έτσι ώστε Χ'προφέρεται Χ-πρωταρχική. Στο παρακάτω παράδειγμα, η ταχύτητα βρίσκεται στο xx'κατεύθυνση, με ταχύτητα u:

Χ' = ( Χ - ut ) / sqrt (1 - u2 / ντο2 )
y' = y

z' = z

t' = { t - ( u / ντο2 ) Χ } / sqrt (1 - u2 / ντο2 )

Οι μετασχηματισμοί παρέχονται κυρίως για σκοπούς επίδειξης. Οι ειδικές εφαρμογές τους θα εξεταστούν χωριστά. Ο όρος 1 / sqrt (1 - u2/ντο2) εμφανίζεται τόσο συχνά στη σχετικότητα που υποδηλώνεται με το ελληνικό σύμβολο γ σε μερικές παραστάσεις.

Πρέπει να σημειωθεί ότι στις περιπτώσεις που u << ντο, ο παρονομαστής καταρρέει ουσιαστικά στο sqrt (1), που είναι μόνο 1. Gamma απλά γίνεται 1 σε αυτές τις περιπτώσεις. Ομοίως, το u/ντοΟ όρος 2 γίνεται επίσης πολύ μικρός. Επομένως, τόσο η διαστολή του χώρου όσο και του χρόνου είναι ανύπαρκτες σε οποιοδήποτε σημαντικό επίπεδο σε ταχύτητες πολύ πιο αργές από την ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό.

Η ειδική σχετικότητα αποδίδει πολλές συνέπειες από την εφαρμογή μετασχηματισμών Lorentz σε υψηλές ταχύτητες (κοντά στην ταχύτητα του φωτός). Μεταξύ αυτών είναι:

• Χρονική διαστολή (συμπεριλαμβανομένης της δημοφιλούς "Twin Paradox")
• Μείωση του μήκους
• Μετασχηματισμός ταχύτητας
• Προσθετική σχετική ταχύτητα
• Σχετικιστική επίδραση Doppler
• Συγχρονισμός και συγχρονισμός ρολογιού
• Σχετική ορμή
• Σχετική κινητική ενέργεια
• Σχετική μάζα
• Σχετική συνολική ενέργεια

Μερικοί άνθρωποι επισημαίνουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της πραγματικής εργασίας για την ειδική σχετικότητα είχε ήδη γίνει από τη στιγμή που παρουσίασε ο Αϊνστάιν. Οι έννοιες της διαστολής και της ταυτόχρονης μετακίνησης των σωμάτων είχαν ήδη εφαρμοστεί και τα μαθηματικά είχαν ήδη αναπτυχθεί από τη Lorentz & Poincare. Κάποιοι πηγαίνουν τόσο μακριά όσο να καλέσουν τον Αϊνστάιν έναν λογοτέχνη.

Υπάρχει κάποια ισχύς σε αυτές τις χρεώσεις. Σίγουρα, η "επανάσταση" του Αϊνστάιν χτίστηκε στους ώμους πολλών άλλων έργων και ο Αϊνστάιν πήρε πολύ περισσότερη πίστη για το ρόλο του από εκείνους που έκαναν το έργο του.

Ταυτόχρονα, πρέπει να θεωρηθεί ότι ο Αϊνστάιν πήρε αυτές τις βασικές έννοιες και τις τοποθετούσε σε ένα θεωρητικό πλαίσιο που έκανε δεν είναι απλώς μαθηματικά κόλπα για να σώσουν μια πεθαμένη θεωρία (δηλαδή τον αιθέρα), αλλά μάλλον θεμελιώδεις πτυχές της φύσης στη δική τους σωστά. Δεν είναι σαφές ότι ο Larmor, ο Lorentz ή ο Poincare θέλησαν τόσο τολμηρή κίνηση και η ιστορία έχει ανταμείψει τον Αϊνστάιν για αυτή τη διορατικότητα και την τόλμη.

Στη θεωρία 1905 του Albert Einstein (ειδική σχετικότητα), έδειξε ότι μεταξύ αδρανειακών πλαισίων αναφοράς δεν υπήρχε "προτιμώμενο" πλαίσιο. Η ανάπτυξη της γενικής σχετικότητας προήλθε, εν μέρει, ως μια προσπάθεια να αποδειχθεί ότι αυτό ήταν αληθές και μεταξύ μη-αδρανειακών (δηλαδή επιταχυνόμενων) πλαισίων αναφοράς.

Το 1907, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε το πρώτο του άρθρο σχετικά με τις βαρυτικές επιδράσεις στο φως κάτω από την ειδική σχετικότητα. Σε αυτή την εργασία, ο Αϊνστάιν περιέγραψε την «αρχή της ισοδυναμίας» του, η οποία δήλωνε ότι παρατηρώντας ένα πείραμα στη Γη (με βαρυτική επιτάχυνση σολ) θα ήταν πανομοιότυπο με την παρατήρηση ενός πειράματος σε ένα πυραυλικό πλοίο που κινήθηκε με ταχύτητα σολ. Η αρχή της ισοδυναμίας μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:

εμείς [...] αναλαμβάνουμε την πλήρη φυσική ισοδυναμία ενός πεδίου βαρύτητας και μια αντίστοιχη επιτάχυνση του συστήματος αναφοράς.

όπως είπε ο Αϊνστάιν ή, εναλλακτικά, ως ένα Σύγχρονη Φυσική βιβλίο το παρουσιάζει:

Δεν υπάρχει τοπικό πείραμα που μπορεί να γίνει για να γίνει διάκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων μιας ομοιόμορφης βαρύτητας πεδίο σε ένα μη επιταχυνόμενο αδρανειακό πλαίσιο και τα αποτελέσματα μιας ομοιόμορφα επιταχυνόμενης (μη-μινιακής) αναφοράς πλαίσιο.

Ένα δεύτερο άρθρο σχετικά με το θέμα εμφανίστηκε το 1911, και μέχρι το 1912 ο Αϊνστάιν εργάστηκε ενεργά για να συλλάβει έναν γενικό θεωρία της σχετικότητας που θα εξηγούσε την ειδική σχετικότητα, αλλά θα εξήγησε επίσης τη βαρύτητα ως γεωμετρική φαινόμενο.

Το 1915, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε ένα σύνολο διαφορικών εξισώσεων γνωστών ως Einstein field equations. Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν απεικόνιζε το σύμπαν ως ένα γεωμετρικό σύστημα τριών διαστάσεων χωροχρόνου και μίας ώρας. Η παρουσία μάζας, ενέργειας και ορμής (συλλογικώς ποσοτικοποιημένη ως πυκνότητα μάζας ενέργειας ή ενέργεια από το στρες) είχε ως αποτέλεσμα την κάμψη αυτού του συστήματος συντεταγμένων χωροχρόνου. Η βαρύτητα, συνεπώς, κινείται κατά μήκος της "απλούστερης" ή λιγότερο ενεργητικής πορείας κατά μήκος αυτού του καμπυλωμένου χωροχρόνου.

Με τους απλούστερους δυνατούς όρους και απογύμνωση των πολύπλοκων μαθηματικών, ο Αϊνστάιν βρήκε την ακόλουθη σχέση μεταξύ της καμπυλότητας της χωροχρονικής και της πυκνότητας μάζας ενέργειας:

(καμπυλότητα του χωροχρόνου) = (πυκνότητα μάζας ενέργειας) * 8 Χοίρος / ντο4

Η εξίσωση δείχνει μια άμεση, σταθερή αναλογία. Η σταθερά βαρύτητας, σολ, προέρχεται από Νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα, ενώ η εξάρτηση από την ταχύτητα του φωτός, ντο, αναμένεται από τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας. Σε περίπτωση μηδενικής (ή σχεδόν μηδενικής) πυκνότητας ενέργειας μάζας (δηλ. Κενού χώρου), ο χωροχρόνος είναι επίπεδος. Η κλασική βαρύτητα είναι μια ειδική περίπτωση εκδήλωσης βαρύτητας σε ένα σχετικά αδύναμο βαρυτικό πεδίο, όπου το ντο4 όρος (ένας πολύ μεγάλος παρονομαστής) και σολ (ένας πολύ μικρός αριθμητής) κάνει τη διόρθωση καμπυλότητας μικρή.

Και πάλι, ο Αϊνστάιν δεν το έβγαλε από ένα καπέλο. Εργάστηκε σε μεγάλο βαθμό με τη Ριμαννιακή γεωμετρία (μια μη Ευκλείδεια γεωμετρία που αναπτύχθηκε από τον μαθηματικό Bernhard Riemann χρόνια νωρίτερα), αν και ο προκύπτων χώρος ήταν μια πολυδιάστατη Lorentzian πολλαπλή μάλλον παρά μια αυστηρά Riemannian γεωμετρία. Ακόμα, το έργο του Riemann ήταν απαραίτητο για τις εξισώσεις πεδίων του Αϊνστάιν να είναι πλήρεις.

Για μια αναλογία με τη γενική σχετικότητα, θεωρήστε ότι απλώσατε ένα φύλλο ή κομμάτι ελαστικού επίπεδου, συνδέοντας σταθερά τις γωνίες σε μερικούς ασφαλισμένους στύλους. Τώρα αρχίζετε να τοποθετείτε πράγματα με διάφορα βάρη στο φύλλο. Όπου τοποθετείτε κάτι πολύ ελαφρύ, το φύλλο θα καμπυλώνεται προς τα κάτω κάτω από το βάρος του λίγο. Εάν βάζετε κάτι βαρύ, ωστόσο, η καμπυλότητα θα είναι ακόμη μεγαλύτερη.

Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα βαρύ αντικείμενο που κάθεται στο φύλλο και τοποθετείτε ένα δεύτερο, ελαφρύτερο αντικείμενο στο φύλλο. Η καμπυλότητα που δημιουργείται από το βαρύτερο αντικείμενο θα αναγκάσει το ελαφρύτερο αντικείμενο να "γλιστρήσει" κατά μήκος της καμπύλης προς το μέρος του, προσπαθώντας να φτάσει σε σημείο ισορροπίας όπου δεν κινείται πλέον. (Σε αυτή την περίπτωση, φυσικά, υπάρχουν και άλλες σκέψεις - μια μπάλα θα κυλήσει περισσότερο από ότι ένας κύβος θα ολισθαίνει, λόγω των αποτελεσμάτων τριβής και τέτοια.)

Αυτό είναι παρόμοιο με το πώς η γενική σχετικότητα εξηγεί τη βαρύτητα. Η καμπυλότητα ενός ελαφρού αντικειμένου δεν επηρεάζει πολύ το βαρύ αντικείμενο, αλλά η καμπυλότητα που δημιουργείται από το βαρύ αντικείμενο είναι αυτό που μας εμποδίζει να πλέουμε στο διάστημα. Η καμπυλότητα που δημιουργείται από τη Γη διατηρεί τη σελήνη σε τροχιά, αλλά ταυτόχρονα, η καμπυλότητα που δημιουργείται από τη Σελήνη είναι αρκετή για να επηρεάσει τις παλίρροιες.

Όλα τα ευρήματα της ειδικής σχετικότητας υποστηρίζουν επίσης τη γενική σχετικότητα, αφού οι θεωρίες είναι συνεπείς. Η γενική σχετικότητα εξηγεί επίσης όλα τα φαινόμενα της κλασικής μηχανικής, καθώς και αυτά είναι συνεπή. Επιπλέον, αρκετά ευρήματα υποστηρίζουν τις μοναδικές προβλέψεις της γενικής σχετικότητας:

• Προέλευση του περιείλιου του υδραργύρου
• Βαρυτική εκτροπή του φωτός του αστέρα
• Η καθολική επέκταση (με τη μορφή μιας κοσμολογικής σταθεράς)
• Καθυστέρηση των ηχώ ραντάρ
• Hawking ακτινοβολία από μαύρες τρύπες

• Γενική αρχή της σχετικότητας: Οι νόμοι της φυσικής πρέπει να είναι πανομοιότυποι για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από το εάν επιταχύνονται ή όχι.
• Αρχή της General Covariance: Οι νόμοι της φυσικής πρέπει να έχουν την ίδια μορφή σε όλα τα συστήματα συντεταγμένων.
• Η αδρανειακή κίνηση είναι Γεωδετική κίνηση: Οι παγκόσμιες γραμμές σωματιδίων που δεν επηρεάζονται από τις δυνάμεις (δηλαδή την αδρανειακή κίνηση) είναι χρονικές ή μηδενικές γεωδαιτικές του χωροχρόνου. (Αυτό σημαίνει ότι ο εφαπτόμενος διάνυσμα είναι αρνητικός ή μηδέν).
• Τοπική επένδυση Lorentz: Οι κανόνες της ειδικής σχετικότητας εφαρμόζονται τοπικά για όλους τους αδρανείς παρατηρητές.
• Καμπυλότητα διαστήματος: Όπως περιγράφεται από τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, η καμπυλότητα του χωροχρόνου σε απόκριση της μάζας, της ενέργειας και της ορμής έχει ως αποτέλεσμα να θεωρούνται οι βαρυτικές επιδράσεις ως μια μορφή αδρανειακής κίνησης.

Η αρχή της ισοδυναμίας, την οποία ο Albert Einstein χρησιμοποίησε ως αφετηρία της γενικής σχετικότητας, αποδεικνύεται ότι είναι συνέπεια αυτών των αρχών.

Το 1922, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η εφαρμογή των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν στην κοσμολογία είχε ως αποτέλεσμα την επέκταση του σύμπαντος. Ο Αϊνστάιν, πιστεύοντας σε ένα στατικό σύμπαν (και επομένως σκεπτόμενος τις εξισώσεις του ήταν λάθος), πρόσθεσε μια κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις πεδίου, η οποία επέτρεπε στατικές λύσεις.

Ο Edwin Hubble, το 1929, ανακάλυψε ότι υπήρχε κόκκινη μετατόπιση από μακρινά αστέρια, πράγμα που υπονοούσε ότι κινούταν σε σχέση με τη Γη. Το σύμπαν, όπως φαινόταν, επεκτεινόταν. Ο Αϊνστάιν απομάκρυνε την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του, αποκαλώντας το μεγαλύτερο σφάλμα της καριέρας του.

Στη δεκαετία του 1990, το ενδιαφέρον για την κοσμολογική σταθερά επέστρεψε με τη μορφή του σκοτεινή ενέργεια. Λύσεις για τις κβαντικές θεωρίες πεδίου έχουν οδηγήσει σε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας στο κβαντικό κενό του χώρου, με αποτέλεσμα μια επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος.

Όταν οι φυσικοί επιχειρούν να εφαρμόσουν τη θεωρία κβαντικού πεδίου στο πεδίο βαρύτητας, τα πράγματα γίνονται πολύ ακατάστατα. Από μαθηματικούς όρους, οι φυσικές ποσότητες περιλαμβάνουν απόκλιση ή αποτέλεσμα άπειρο. Τα βαρυτικά πεδία υπό γενική σχετικότητα απαιτούν έναν απεριόριστο αριθμό διορθώσεων, ή "renormalization", σταθερές για την προσαρμογή τους σε λύσεις που μπορούν να επιλυθούν.

Οι προσπάθειες επίλυσης αυτού του "προβλήματος επαναπροσδιορισμού" βρίσκονται στην καρδιά των θεωριών του κβαντική βαρύτητα. Οι θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας συνήθως λειτουργούν προς τα πίσω, προβλέποντας μια θεωρία και στη συνέχεια ελέγχοντας την παρά αντί να προσπαθούμε πραγματικά να προσδιορίσουμε τις άπειρες σταθερές που απαιτούνται. Είναι ένα παλιό τέχνασμα στη φυσική, αλλά μέχρι στιγμής καμία από τις θεωρίες δεν έχει αποδειχθεί επαρκώς.

Το κύριο πρόβλημα με τη γενική σχετικότητα, που άλλως ήταν εξαιρετικά επιτυχημένη, είναι η συνολική ασυμβατότητα της με την κβαντική μηχανική. Ένα μεγάλο κομμάτι της θεωρητικής φυσικής είναι αφιερωμένο στην προσπάθεια να συμφιλιωθούν οι δύο έννοιες: αυτή που προβλέπει μακροσκοπικά φαινόμενα δια μέσου του χώρου και ένα που προβλέπει μικροσκοπικά φαινόμενα, συχνά σε χώρους μικρότερους από έναν άτομο.

Επιπλέον, υπάρχει κάποια ανησυχία με την ίδια την έννοια του χωροχρόνου του Αϊνστάιν. Τι είναι ο χωροχρόνος; Υπάρχει φυσικά; Μερικοί έχουν προβλέψει ένα "κβαντικό αφρό" που εξαπλώνεται σε όλο το σύμπαν. Πρόσφατες προσπάθειες στο θεωρία χορδών (και οι θυγατρικές της) χρησιμοποιούν αυτή ή άλλες κβαντικές απεικονίσεις του χωροχρόνου. Ένα πρόσφατο άρθρο στο περιοδικό New Scientist προβλέπει ότι ο χωροχρόνος μπορεί να είναι ένα κβαντικό υπερρευστό και ότι ολόκληρο το σύμπαν μπορεί να περιστραφεί σε έναν άξονα.

Μερικοί άνθρωποι έχουν επισημάνει ότι εάν ο χωροχρόνος υπάρχει ως φυσική ουσία, θα λειτουργούσε ως παγκόσμιο πλαίσιο αναφοράς, όπως και ο αιθέρας. Οι αντι-σχετιστές είναι ενθουσιασμένοι με αυτή την προοπτική, ενώ άλλοι το θεωρούν ως μια μη επιστημονική προσπάθεια να δυσφημήσουν τον Αϊνστάιν αναζωογονώντας μια αιώνα νεκρή έννοια.

Ορισμένα θέματα με μοναδικότητες μαύρης οπής, όπου η καμπυλότητα του χωροχρόνου πλησιάζει το άπειρο, έχουν επίσης αμφιβολίες για το αν η γενική σχετικότητα απεικονίζει με ακρίβεια το σύμπαν. Είναι δύσκολο να το ξέρουμε όμως από τότε μαύρες τρύπες μπορεί να μελετηθεί μόνο από μακριά μέχρι σήμερα.

Όπως συμβαίνει τώρα, η γενική σχετικότητα είναι τόσο επιτυχής που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι θα βλάψει πολύ από αυτά ασυνέπειες και διαμάχες μέχρι να εμφανιστεί ένα φαινόμενο το οποίο πράγματι έρχεται σε αντίθεση με τις ίδιες τις προβλέψεις του θεωρία.