บทนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์พัฒนาระหว่าง ค.ศ. 1907 ถึง 1915 ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ผลของความโน้มถ่วงที่สังเกตได้ระหว่างมวลเกิดจากการบิดงอ (warp) ของปริภูมิ-เวลา

ต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันเป็นที่ยอมรับกันกว่าสองร้อยปีว่าเป็นคำอธิบายสมเหตุสมผลของแรงโน้มถ่วงระหว่างมวล ในแบบจำลองของนิวตัน ความโน้มถ่วงเป็นผลของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุขนาดมหึมา แม้นิวตันประสบปัญหาจากธรรมชาติที่ไม่รู้ของแรงนั้น แต่กรอบพื้นฐานประสบความสำเร็จอย่างยิ่งในการอธิบายการเคลื่อนที่

การทดลองและการสังเกตแสดงว่าคำอธิบายความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์อธิบายหลายปรากฏการณ์ที่กฎของนิวตันไม่อธิบาย เช่น ค่าผิดปกติเล็กน้อยในวงโคจรของดาวพุธและดาวเคราะห์อื่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังทำนายผลใหม่ของความโน้มถ่วง เช่น คลื่นความโน้มถ่วง เลนส์ความโน้มถ่วง และผลของความโน้มถ่วงต่อเวลาเรียก การเปลี่ยนขนาดของเวลาจากความโน้มถ่วง (gravitational time dilation) การทำนายเหล่านี้จำนวนมากได้รับการยืนยันจากการทดลอง ส่วนการทำนายอื่น ๆ เป็นหัวข้อการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่

มีการทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นเครื่องมือสำคัญในฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่ โดยเป็นรากฐานของความเข้าใจปัจจุบันของหลุมดำ ซึ่งเป็นบริเวณของปริภูมิซึ่งผลความโน้มถ่วงเข้มเสียจนแม้แต่แสงก็ออกมาไม่ได้ ความโน้มถ่วงที่เข้มของหลุมดำคาดว่าทำให้เกิดการปล่อยรังสีอย่างเข้มโดยวัตถุทางดาราศาสตร์บางชนิด (เช่น นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์หรือไมโครควาซาร์) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังเป็นส่วนหนึ่งของกรอบแบบจำลองจักรวาลวิทยาบิกแบงมาตรฐาน

แม้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมิใช่ทฤษฎีความโน้มถ่วงสัมพัทธนิยมทฤษฎีเดียว แต่เป็นทฤษฎีที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งเข้ากันกับข้อมูลการทดลอง กระนั้น ยังมีคำถามที่ไม่มีคำตอบอยู่จำนวนหนึ่ง หลักมูลที่สุดคือ สัมพัทธภาพทั่วไปสามารถเข้าได้กับกฎกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างไรเพื่อผลิตทฤษฎีความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมที่สมบูรณ์และต้องกันในตนเอง

ในเดือนกันยายน ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์จัดพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของตน ซึ่งทำให้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเข้าได้กับไฟฟ้าพลศาสตร์ (อันตรกิริยาระหว่างวัตถุกับประจุไฟฟ้า) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษนำกรอบใหม่มาให้วิชาฟิสิกส์ทั้งหมดโดยเสนอมโนทัศน์ใหม่ปริภูมิและเวลา ทฤษฎีฟิสิกส์ซึ่งเป็นที่ยอมรับกันในเวลานั้นบางทฤษฎีไม่สอดคล้องกับกรอบนั้น ตัวอย่างสำคัญคือ ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันซึ่งอธิบายความดึงดูดระหว่างกันระหว่างวัตถุอันเนื่องจากมวลของมัน

นักฟิสิกส์หลายคนรวมทั้งไอน์สไตน์ค้นหาทฤษฎีซึ่งจะทำให้กฎความโน้มถ่วงของนิวตันเข้าได้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ มีเพียงทฤษฎีของไอน์สไตน์เท่านั้นที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสอดคล้องกับการทดลองและการสังเกต เพื่อเข้าใจความคิดพื้นฐานของทฤษฎี จึงจำเป็นที่จะติดตามความคิดของไอน์สไตน์ระหว่าง ค.ศ. 1907 ถึง 1915 ตั้งแต่การทดลองทางความคิดเบื้องต้นของเขาอันเกี่ยวข้องกับผู้สังเกตในการตกเสรีสู่ทฤษฎีความโน้มถ่วงเรขาคณิตสมบูรณ์ของเขา

บุคคลในลิฟต์ที่ตกอย่างเสรีประสบภาวะไร้น้ำหนัก วัตถุจะลอยอยู่โดยไร้การเคลื่อนไหวหรือเคลื่อนไหวด้วยความเร็วคงที่ เนื่องจากทุกสิ่งในลิฟต์ตกลงไปด้วยกัน จึงไม่สามารถสังเกตผลของความโน้มถ่วงได้ ด้วยวิธีนี้ประสบการณ์ของผู้สังเกตในการตกอย่างเสรีจึงแยกไม่ได้กับผู้สังเกตในอวกาศ ซึ่งไกลจากแหล่งความโน้มถ่วงสำคัญใด ๆ ผู้สังเกตเหล่านั้นเป็นผู้สังเกตเฉื่อยที่ไอน์สไตน์อธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขา คือ ผู้สังเกตซึ่งแสงเดินทางเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่

ไอน์สไตน์ตั้งสมมติฐานว่าประสบการณ์ผู้สังเกตไร้น้ำหนักและผู้สังเกตเฉื่อยคล้ายกันในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นตัวแทนของคุณสมบัติมูลฐานของความโน้มถ่วง และเขายกให้ข้อนี้เป็นหลักหมุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา โดยสรุปไว้ในหลักการสมมูลของเขา กล่าวโดยสรุปคือ หลักการนี้ระบุว่าบุคคลในลิฟต์ที่ตกอย่างเสรีไม่สามารถบอกได้ว่าตนกำลังตกอย่างเสรี ทุกการทดลองที่มีสิ่งแวดล้อมตกอย่างเสรีดังนี้ให้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับผู้สังเกตขณะพักหรือกำลังเคลื่อนที่เป็นระเบียบในอวกาศที่อยู่ไกลจากแหล่งความโน้มถ่วงใด ๆ

ความโน้มถ่วงไม่มีผลส่วนใหญ่เมื่ออยู่ในการตกอย่างเสรี แต่ผลที่ดูเหมือนผลของความโน้มถ่วงนั้นสามารถเกิดได้ในกรอบอ้างอิงเร่ง (accelerated frame of reference) ผู้สังเกตในห้องปิดไม่สามารถแยกแยะได้ระหว่างสองเหตุการณ์ข้างล่าง

ในทางกลับกัน ผลใด ๆ ที่สังเกตได้ในกรอบอ้างอิงเร่งควรสังเกตได้ในสนามความโน้มถ่วงที่มีความเข้มพอ ๆ กันได้เช่นกัน หลักการนี้ทำให้ไอน์สไตน์สามารถพยากรณ์ผลของความโน้มถ่วงใหม่ ๆ หลายประการได้ในปี 1907 ดังที่จะอธิบายในส่วนถัดไป

ผู้สังเกตในกรอบอ้างอิงเร่งจะต้องใช้สิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า แรงเทียม เพื่อใช้อธิบายความเร่งที่เขาและวัตถุรอบตัวเขาประสบ ตัวอย่างหนึ่งเช่น แรงที่ผลักผู้ขับรถที่มีความเร่งไปยังเบาะนั่งด้านหลังบุคคลนั้น ซึ่งได้กล่าวถึงไปแล้ว อีกตัวอย่างหนึ่งคือแรงที่บุคคลรู้สึกว่ากำลังดึงแขนขึ้นและออกจากตัวเมื่อกำลังพยายามหมุนเหมือนลูกข่าง วิจารณญาณของไอน์สไตน์มีว่า โดยหลักพื้นฐานแล้วแรงดึงซึ่งคงที่และมีลักษณะคล้ายกันของสนามความโน้มถ่วงของโลกก็เป็นเฉกเช่นแรงเทียมเหล่านี้ ขนาดปรากฏของแรงเทียมดูเหมือนเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุใด ๆ ที่แรงนั้นกระทำเสมอ ตัวอย่างเช่น เบาะนั่งของผู้ขับส่งแรงเพียงพอเพื่อเร่งผู้ขับในอัตราเดียวกับรถยนต์นั้น ไอน์สไตน์จึงเสนอว่าวัตถุในสนามความโน้มถ่วงควรได้รับแรงความโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนกับมวลของมัน ดังที่กล่าวไว้ในกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน

โดยการถอดความจอห์น วีลเลอร์ (John Wheeler) ทฤษฎีสัมพัทธภาพเชิงเรขาคณิตของไอน์สไตน์สรุปได้ดังนี้ ปริภูมิ-เวลาบอกวิธีเคลื่อนที่แก่สสาร สสารบอกวิธีโค้งแก่ปริภูมิ-เวลา

ในการแสดงรายละเอียดอิทธิพลความโน้มถ่วงของเทห์ (body) จะมีประโยชน์หากคิดถึงสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกโพรบ (probe) หรืออนุภาคทดสอบ คือ อนุภาคที่ได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วง แต่ยังเล็กและเบาจนไม่ต้องสนใจผลความโน้มถ่วงของมันเอง เมื่อปราศจากความโน้มถ่วงและแรงภายนอกอื่น อนุภาคทดสอบเคลื่อนเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ในภาษาปริภูมิ-เวลา การเคลื่อนที่นี้เทียบเท่าการกล่าวว่าอนุภาคทดสอบเคลื่อนที่ตามเวิลด์ไลน์ (world line) ตรงในปริภูมิ-เวลา เมื่อมีความโน้มถ่วง ปริภูมิ-เวลาเป็นนอกแบบยูคลิดหรือมีความโค้ง และในปริภูมิ-เวลาโค้ง เวิลด์ไลน์ตรงอาจไม่มีอยู่ แต่อนุภาคทดสอบเคลื่อนที่ตามแนวเรียก จีออเดสิก (geodesic) ที่ "ตรงเท่าที่เป็นไปได้" นั่นคือ แนวนี้ตามวิถีสั้นสุดระหว่างจุดเริ่มต้นและสิ้นสุด เมื่อพิจารณาความโค้งด้วย

อุปมาง่าย ๆ ดังนี้ ในภูมิมาตรศาสตร์ วิทยาศาสตร์การวัดขนาดและรูปทรงของโลก จีออเดสิก (มาจากภาษากรีก "geo" แปลว่า โลก และ "daiein" แปลว่า แบ่ง) คือ เส้นทางสั้นสุดระหว่างสองจุดบนผิวโลก เส้นทางนี้โดยประมาณก็คือเซกเมนต์หนึ่งของวงกลมใหญ่ เช่น เส้นลองจิจูดหรือเส้นศูนย์สูตร แน่นอนว่าวิถีเหล่านี้มิใช่เส้นตรง เพราะเส้นต้องไปตามความโค้งของผิวโลก แต่เส้นเหล่านี้ตรงเท่าที่เป็นไปได้ในเงื่อนไขบังคับนี้

คุณสมบัติภูมิมาตรศาสตร์ต่างจากคุณสมบัติของเส้นตรง ตัวอย่างเช่น ในระนาบหนึ่ง เส้นขนานจะไม่มีทางมาบรรจบกัน แต่ไม่จริงสำหรับภูมิมาตรศาสตร์บนผิวโลก ตัวอย่างเช่น เส้นลองจิจูดขนานที่เส้นศูนย์สูตร แต่มีส่วนร่วมที่ขั้ว ทำนองเดียวกัน เวิลด์ไลน์ของอนุภาคทดสอบในการตกอย่างอิสระเป็นภูมิมาตรศาสตร์ปริภูมิ-เวลา แต่ยังมีข้อแตกต่างสำคัญระหว่างทั้งสองและเส้นตรงจริง ๆ เท่านั้นที่สามารถวาดได้ในปริภูมิ-เวลาของสัมพัทธภาพพิเศษไร้ความโน้มถ่วง ในสัมพัทธภาพพิเศษ ภูมิมาตรศาสตร์ขนานยังเป็นเส้นขนาน ในสนามความโน้มถ่วงที่มีผลไทดัล โดยทั่วไปข้อนี้จะไม่เป็นจริง ตัวอย่างเช่น หากวัตถุสองวัตถุทีแรกพักสัมพัทธ์ต่อกัน แต่แล้วถูกปล่อยในสนามความโน้มถ่วงของโลก วัตถุทั้งสองจะเคลื่อนเข้าหากันขณะที่ตกสู่ศูนย์กลางของโลก

วัตถุในชีวิตประจำวัน (คน รถยนต์ บ้านหรือแม้แต่ภูเขา) มีมวลน้อยนิดเมื่อเทียบกับดาวเคราะห์หรือเทห์ดาราศาสตร์อื่น เมื่อกล่าวถึงวัตถุในชีวิตประจำวัน กฎว่าด้วยพฤติกรรมของอนุภาคทดสอบเพียงพออธิบายสิ่งที่เกิด ที่สำคัญคือ ในการเบนอนุภาคทดสอบจากวิถีจีออเดสิกของมันจะต้องมีแรงภายนอกมากระทำ เก้าอี้ที่มีผู้นั่งอยู่มีแรงพุ่งขึ้นภายนอกมากระทำป้องกันมิให้บุคคลนั้นตกเสรีสู่ศูนย์กลางของโลกฉะนั้นจึงเป็นไปตามจีออเดสิก ซึ่งผู้นั้นอาจตกก็ได้หากไม่มีสสารกั้นระหว่างเขากับศูนย์กลางของโลก ด้วยวิธีนี้ สัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายประสบการณ์แรงโน้มถ่วงประจำวันบนผิวโลกว่ามิใช่เป็นแรงดึงลงของแรงโน้มถ่วง แต่เป็นการผลักขึ้นของแรงภายนอก แรงเหล่านี้เบนเทห์ทั้งหมดที่อยู่บนผิวโลกจากจีออแดสิกส์ที่เป็นไปตามปกติ สำหรับวัตถุสสารซึ่งอิทธิพลความโน้มถ่วงของมันไม่สามารถละเลยได้ กฎการเคลื่อนที่จะซับซ้อนกว่าของอนุภาคทดสอบอยู่บ้าง แต่ยังเป็นจริงที่ปริภูมิ-เวลาบอกวิธีเคลื่อนที่แก่สสาร

ในคำอธิบายความโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงเกิดจากสสาร หรือจะกล่าวให้แม่นตรงกว่านั้น เกิดจากคุณสมบัติเฉพาะหนึ่งของวัตถุกายภาพ คือ มวล ในทฤษฎีของไอน์สไตน์และทฤษฎีความโน้มถ่วงอื่น ความโค้ง ณ ทุกจุดในปริภูมิ-เวลาก็เกิดจากว่ามีสสารอะไรอยู่ ซึ่งในที่นี้มวลเป็นคุณสมบัติเช่นเดียวกันในการกำหนดอิทธิพลความโน้มถ่วงของสสาร แต่ในทฤษฎีความโน้มถ่วงสัมพัทธนิยม มวลไม่สามารถเป็นแหล่งของความโน้มถ่วงเพียงแหล่งเดียว สัมพัทธภาพโยงมวลกับพลังงาน และพลังงานกับโมเมนตัม

ความสมมูลระหว่างมวลกับพลังงาน ดังที่แสดงโดยสูตร "E" = "mc" เป็นผลลัพธ์ที่โด่งดังที่สุดของสัมพัทธภาพพิเศษ ในสัมพัทธภาพ มวลและพลังงานเป็นสองวิธีการที่ต่างกันในการอธิบายปริมาณทางกายภาพหนึ่ง หากระบบกายภาพหนึ่งมีพลังงาน ระบบนั้นจะมีมวลสมนัย และกลับกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติทั้งหมดของเทห์ที่สัมพันธ์กับพลังงาน เช่น อุณหภูมิหรือพลังงานยึดเหนี่ยวของระบบ เช่น นิวเคลียสหรือโมเลกุล ประกอบเป็นมวลของเทห์นั้น ฉะนั้นจึงประพฤติตนเป็นแหล่งของความโน้มถ่วง

ในสัมพัทธภาพพิเศษ พลังงานมีความเชื่อมโยงใกล้ชิดกับโมเมนตัม ดังเช่นที่ปริภูมิและเวลาในทฤษฎีนั้นเป็นสองส่วนของเอนทิตีที่ครอบคลุมกว่าที่เรียก ปริภูมิ-เวลา พลังงานและโมเมนตัมเป็นสองส่วนในปริมาณสี่มิติรวมที่นักฟิสิกส์เรียก สี่โมเมนตัม (four-momentum) ผลคือ หากพลังงานเป็นแหล่งของความโน้มถ่วง โมเมนตัมก็เป็นแหล่งด้วย ข้อนี้เป็นจริงสำหรับปริมาณที่เชื่อมโยงโดยตรงกับพลังงานและโมเมนตัม กล่าวคือ ความดันภายในและความตึง เมื่อคิดรวมกัน ในสัมพัทธภาพทั่วไป มวล พลังงาน โมเมนตัม ความดันและความตึงเป็นแหล่งของความโน้มถ่วง เป็นวิธีที่สสารบอกปริภูมิ-เวลาว่าจะโค้งอย่างไร ในการแสดงทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎี ปริมาณเหล่านี้ทั้งหมดเป็นส่วนหนึ่งของปริมาณทางกายภาพครอบคลุมกว่าที่เรียก เทนเซอร์พลังงาน–โมเมนตัม (energy–momentum tensor)

สมการของไอน์สไตน์เป็นหัวใจของสัมพัทธภาพทั่วไป สมการเหล่านี้ให้ประมวลความสัมพันธ์ระหะว่างเรขาคณิตปริภูมิ-เวลาและคุณสมบัติของสสารที่แม่นยำ โดยใช้ภาษาคณิตศาสตร์ ที่เป็นรูปธรรมกว่านั้น สูตรเหล่านี้ประมวลโดยใช้มโนทัศน์เรขาคณิตรีมันน์ ซึ่งคุณสมสบัติเรขาคณิตของปริภูมิ (หรือปริภูมิ-เวลา) อธิบายโดยคุณสมบัติที่เรียกว่า เมตริก (metric) เมตริกเข้ารหัสสารสนเทศที่จำเป็นต้องคำนวณความคิดระยะทางและองศาเรขาคณิมูลฐานในปริภูมิ (หรือปริภูมิ-เวลา) โค้ง
ผิวทรงกลมคล้ายผิวโลกให้ตัวอย่างอย่างง่าย ตำแหน่ง ณ จุดใด ๆ บนผิวสามารถอธิบายได้ด้วยสองพิกัด คือ ละติจูดและลองติจูดภูมิศาสตร์ ต่างจากพิกัดคาร์ทีเชียนของระนาบ ผลต่างของพิกัดไม่เท่ากับระยะทางบนผิว ดังที่แสดงในแผนภาพด้านขวามือ สำหรับผู้ที่อยู่ ณ เส้นศูนย์สูตร การเคลื่อนไปทางตะวันตก 30 องศาลองติจูด (เส้นสีม่วงแดง) สมนัยกับระยะทางประมาณ 3,300 กิโลเมตร อีกด้านหนึ่ง ผู้ที่อยู่ละติจูด 55 องศา การเคลื่อนไปทางตะวันตก 30 องศาลองติจูด (เส้นสีน้ำเงิน) กินระยะทางเพียง 1,900 กิโลเมตร ฉะนั้นพิกัดจึงไม่ให้สารสนเทศเพียงพออธิบายเรขาคณิตของผิวทรงกลม หรือเรขาคณิตของปริภูมิหรือปริภูมิ-เวลาใด ๆ ที่ซับซ้อนกว่านั้น สารสนเทศนั้นคือสิ่งที่เข้ารหัสในเมตริกอย่างแน่นอน ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่นิยาม ณ แต่ละจุดของผิว (หรือปริภูมิ หรือปริภูมิ-เวลา) และสัมพันธ์ผลต่างของพิกัดกับผลต่างของระยะทาง ปริมาณอื่นใดซึ่งให้ความสนใจในเรขาคณิต เช่น ความยาวของความโค้งใด ๆ หรือองศาที่เส้นโค้งสองเส้นตัดกัน สามารถคำนวณได้จากฟังก์ชันเมตริกนี้

ฟังก์ชันเมตริกและอัตราการเปลี่ยนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งสามารถใช้นิยามปริมาณทางเรขาคณิตได้ เรียก เทนเซอร์ความโค้งรีมันน์ ซึ่งอธิบายว่าปริภูมิหรือปริภูมิ-เวลาโค้งอย่างไรแม่นตรงที่แต่ละจุด ในสัมพัทธภาพทั่วไป เมตริกและเทนเซอร์ความโค้งรีมันน์เป็นปริมาณที่นิยามที่แต่ละจุดในปริภูมิ-เวลา ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ปริมาณสสารของปริภูมิ-เวลานิยามอีกปริมาณหนึ่ง เทนเซอร์พลังงาน–โมเมนตัม T และหลักการที่ว่า "ปริภูมิ-เวลาบอกวิธีเคลื่อนที่แก่สสาร และสสารบอกวิธีโค้งแก่ปริภูมิ-เวลา" หมายความว่า ปริมาณเหล่านี้ต้องสัมพันธ์กัน ไอน์สไตน์สร้างสูตรความสัมพันธ์นี้โดยใช้เทนเซอร์ความโค้งรีมันน์และเมตริกเพื่อนิยามปริมาณทางเรขาคณิตอีกปริมาณหนึ่ง G ซึ่งบัดนี้เรียก เทนเซอร์ไอน์สไตน์ ซึ่งอธิบายวิธีโค้งของปริภูมิ-เวลาบางลักษณะ สมการของไอน์สไตน์ระบุว่า

กล่าวคือ ในพหุคูณค่าคงตัวหนึ่ง ปริมาณ G (ซึ่งวัดความโค้ง) เข้าสมการกับปริมาณ T (ซึ่งวัดปริมาณสสาร) ในที่นี้ G คือ ค่าคงตัวความโน้มถ่วงของความโน้มถ่วงนิวตัน และ c เป็นความเร็วแสงจากสัมพัทธภาพพิเศษ

สมการนี้มักเรียกเป็นพหูพจน์ว่า สมการของไอน์สไตน์ เนื่องจากปริมาณ G และ T ต่างกำหนดจากหลายฟังก์ชันของพิกัดปริภูมิ-เวลา และสมการเหล่านี้เข้าสมการกับแต่ละฟังก์ชันส่วนประกอบเหล่านี้ ผลเฉลยของสมการเหล่านี้อธิบายเรขาคณิตเฉพาะของปริภูมิ-เวลา ตัวอย่างเช่น ผลเฉลยชวาร์ซชิลด์ (Schwarzschild solution) อธิบายเรขาคณิตรอบ ๆ มวลทรงกลมไม่หมุน เช่น ดาวฤกษ์หรือหลุมดำ ขณะที่ผลเฉลยเคอร์อธิบายหมุนดำที่หมุน กระนั้น ผลเฉลยอื่นสามารถอธิบายคลื่นความโน้มถ่วงหรือเอกภพที่กำลังขยายในกรณีของลเฉลยฟรีดมันน์–เลแม็ทร์–โรเบิร์ตสัน–วอล์กเกอร์ ผลเฉลยง่ายที่สุด คือ ปริภูมิ-เวลามินคอฟสกีไม่โค้ง คือ ปริภูมิ-เวลาที่อธิบายด้วยสัมพัทธภาพพิเศษ