일반상대론 개론
실험

필연적으로 참인 과학적 이론은 존재하지 않는다. 각각의 이론들은 모두 실험을 통해 검증되어야 하는 모형일 뿐이다. 뉴턴의 만유인력의 법칙은 태양계의 행성과 위성들의 운동을 상당한 정확도로 계산할 수 있었기에 받아들여지게 되었다. 실험장비의 정밀도가 서서히 진보하면서 뉴턴의 예측과 불일치하는 결과들이 발견되기 시작했고, 여기서부터 일반상대론이 시작되게 되었다. 마찬가지로 일반상대론에서 도출된 예측들 역시 실험을 통해 검증되어야 하며, 아인슈타인 본인도 이론의 검증을 위한 고전적 실험 세 가지를 직접 고안하기도 했다.
뉴턴의 중력이론에 따르면 완전한 구형인 어떤 항성의 주위를 공전하는 어떤 단일 행성의 궤도는 타원형이 되어야 한다. 아인슈타인의 이론에 따르면 행성의 궤도는 그냥 타원보다 더 복잡한 곡선이 된다. 행성은 타원궤도 위를 따라 움직이는 것처럼 보이지만, 동시에 그 타원궤도 자체도 항성 주위를 서서히 돌게 된다. 오른쪽 그림에서 뉴턴의 이론에 따른 타원궤도는 적색으로, 아인슈타인의 이론에 따른 궤도의 일부가 청색으로 표시되어 있다. 우리 태양계의 경우, 태양을 공전하는 행성의 근일점이 이동하는 뉴턴 이론과 일치하지 않는 변칙현상이 이미 알려져 있었다. 이 효과가 처음 측정된 행성은 수성으로, 1859년까지 그 측정의 역사가 거슬러 올라간다. 수성을 비롯한 다른 행성들의 현재까지 가장 정확한 측정값은 1966년에서 1990년 사이에 전파망원경들을 동원한 측정에 의거하고 있다. 일반상대론에 따르면 이 값이 정확히 측정될 수 있던 행성들, 곧 수성, 금성, 지구에 대한 변칙적 근일점 이동의 제대로 된 예측이 가능해졌다.
일반상대론에 따르면, 중력장 안의 빛은 직선 경로로 움직이지 않으며 질량을 가진 천체의 존재로 인해 그 경로가 굴절된다. 특히 그 중에서도 항성들의 별빛이 태양 주위에서 굴절되는 현상이 두드러져서 천구상에서 항성들의 위치가 최대 1.75 각초까지 변화하였다(1각초는 3600분의 1 도와 같다). 뉴턴의 중력 이론에서도 경험적 변수에 의해 별빛이 휠 수 있지만 그 휘는 정도는 아인슈타인의 계산보다 절반 정도 작았다. 이 두 예측 중 어느 것이 맞는지는 일식이 일어났을 때 태양 근처의 항성을 관측함으로써 시험해 볼 수 있다. 하여 1919년 아서 에딩턴이 이끄는 영국 탐사대가 서아프리카로 파견되었고, 동년 5월 29일의 일식을 관측하여 아인슈타인의 예측이 옳고 뉴턴을 따른 예측이 틀렸음을 확인했다. 에딩턴의 결과는 사실 그렇게 정확한 것은 아니었다. 훗날 전파천문학의 기술 발달로 인해 높은 정확도로 먼 퀘이사의 빛이 태양에 의해 굴절되는 것을 에딩턴의 결과보다 더욱 분명하게 확인했다. 이러한 측정은 1967년에 처음 시작되었으며 가장 최근의 종합적 분석은 2004년에 있었다.
중력적색편이가 연구실 환경 최초로 측정된 것은 1959년 로버트 파운드와 그 지도학생 글렌 레브카의 연구실(파운드–레브카 실험)에서였다. 이후 천체물리학적 연구에서도 백색왜성 시리우스 B에서 나오는 빛에서 중력적색편이가 확인되었다. 중력적색편이와 관계가 있는 중력시간지연 효과를 확인해 보기 위해서는 원자시계를 항공기에 실어 수십 킬로미터 고도와 수천 수만 킬로미터 고도에서 측정하는 실험이 실시되었다. 이러한 실험은 1971년에 조지프 칼 하펠레와 리처드 E. 키팅이 처음 수행하였다(하펠레–키팅 실험). 현재까지 가장 정확한 값은 1976년에 발사된 중력탐사선 A호의 실험에서 얻은 값이다.
그 뒤로 고안된 일반상대론 시험 실험으로는 샤피로 효과 또는 빛의 중력시간지연을 정밀히 측정하는 것이 있다. 가장 최근에 이루어진 해당 실험은 2002년에 카시니 우주탐사선이 수행한 실험이다. 또다른 실험으로는 공간 속에서 자이로스코프의 행동의 일반상대론적 예측을 검증하는 것이 있다. 달에 설치된 인공위성 월면 레이저 장치가 그 예측 중 하나인 측지 세차를 실험하였다. 또다른 실험으로는 회전하는 질량과 관련된 틀 끌림 현상에 관한 것이 있다. 2004년 발사된 중력탐사선 B호 인공위성은 특지효과와 틀 끌림 효과를 모두 실험해 보았으며, 2008년 12월 기준으로 각각 0.5%와 15% 오차 내에서 상대성이론이 맞음을 확인하였다.
우주적 기준에서 볼 때 태양계의 중력은 약한 편이다. 아인슈타인과 뉴턴의 중력이론 사이에 발생하는 예측의 차이는 대부분 중력이 강할 때 제대로 나타난다. 하여 물리학자들은 오랫동안 비교적 강한 중력장을 무대로 다양한 상대론적 효과들을 시험해 보는 데 관심을 가져왔다. 이는 쌍성 펄사의 정밀한 관측을 통해 가능해졌다. 펄사 쌍성계는 고도로 밀집된 중성자별 두 개가 서로를 공전하는 항성계이다. 두 중성자별 중 하나는 좁은 범위로 강렬한 전파를 방출하는 펄사이다. 이 전파 빔은 매우 일정한 간격으로 지구를 때린다. 마치 등대의 불빛이 회전하는 것이 먼 바다의 관찰자에게는 등대가 깜빡거리는 것으로 보이는 것과 같다. 그래서 펄사에서는 그 간격이 매우 일정한 맥동변광(펄스)이 관측된다. 일반상대론은 특수한 상황에서 이 전파 맥동의 일정한 간격에 일탈이 발생할 것이라고 예측한다. 예컨대 전파가 나가는 경로상에 다른 중성자별이 존재할 경우, 전파 빔은 그 중성자별의 중력장에 의해 굴절될 것이다. 실제로 관측된 펄스 패턴은 일반상대론이 예측하는 바와 상당히 일치함을 보였다.
실용적 적용에 있어 대단히 탁월하게 유용한 사례는 범지구위치결정시스템(GPS)을 비롯한 위성항법시스템들이다. 위성항법시스템들은 항법(위치의 결정)과 계시(시간의 결정)라는 두 가지 업무를 매우 높은 정밀도로 수행한다. 이러한 시스템들은 두 개의 원자시계로 이루어져 있다. 원자시계 하나는 지구 주위를 공전하는 궤도상의 인공위성에 탑재되어 있고, 나머지 하나는 대조군으로서 지구 표면에 장치되어 있다. 일반상대론의 예측에 따르면 두 시계는 운동이 다르기 때문에(이 효과는 특수상대론에서 이미 예측된 바이다) 그리고 지구의 중력장 안에서 점하고 있는 위치가 다르기 때문에 시간에 차이가 발생할 것이다. 시스템의 정확도를 유지하기 위해서는 인공위성에 탑재된 시계가 상대론적 요인을 고려하거나 또는 평가 알고리즘을 통한 요인을 사용하여 좀더 느리게 가게 해야 한다. 다시 말하면, 위성항법시스템의 정확도 시험(특히 협정세계시의 정의를 내리기 위한 매우 철저한 측정 등)은 상대론적 예측의 타당성을 검증하는 시험이기도 한 것이다.
그 외에도 많은 실험들이 이루어져 여러 형태로 표현된 등가원리의 타당성들을 검증하였다. 엄밀하게 말하자면, 중력시간지연과 관련된 실험들은 약한 등가원리를 검증한 것이지, 일반상대론 그 자체를 검증한 것은 아니다. 하지만 현재까지 일반상대론은 모든 관찰적 실험 결과들과 합치하고 있다.