ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

สำหรับบทนำที่เข้าใจง่ายกว่าและใช้ศัพท์เทคนิคน้อยกว่าของหัวข้อนี้ ดูที่ บทนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
แบบจำลองเคลื่อนไหวช้าโดยคอมพิวเตอร์ของหลุมดำคู่ GW150914 ที่มองผ่านมุมมองของผู้สังเกตที่อยู่ใกล้ในระหว่างเวลา 0.33 วินาที ที่หลุมดำมีการโคจรรอบกัน รวมตัวกัน และเกิดการสั่นลง ท่ามกลางดวงดาวที่ปรากฏอยู่ด้านหลังหลุมดำมีความบิดเบี้ยว และหมุนเคลื่อนที่ไปมา เนื่องจากเกิดการบิดโค้งโดยเลนส์ความโน้มถ่วงมากจนเกินไป ทำให้ปริภูมิ-เวลาถูกบิดเบี้ยวและถูกลากไปรอบ ๆ โดยคู่หลุมดำที่กำลังโคจรรอบกัน
สัมพัทธภาพทั่วไป หรือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และ ทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ เป็นทฤษฎีทางเรขาคณิตของความโน้มถ่วง ซึ่งถูกตีพิมพ์โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1915 และเป็นคำอธิบายปัจจุบันของความโน้มถ่วงในสาขาฟิสิกส์ยุคใหม่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีลักษณะเป็นการวางพื้นฐานต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และปรับปรุงกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน โดยให้คำอธิบายสรุปของความโน้มถ่วงว่าเป็นคุณสมบัติทางเรขาคณิตของปริภูมิและเวลา หรือปริภูมิ-เวลาในสี่มิติ โดยเฉพาะในเรื่องความโค้งของปริภูมิ-เวลาที่สัมพันธ์โดยตรงกับพลังงานหรือโมเมนตัม ที่แม้จะไม่มีสสารและการแผ่รังสี โดยความสัมพันธ์นี้ได้ถูกกำหนดโดยสมการสนามไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นระบบสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยอันดับสอง
กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ซึ่งอธิบายความโน้มถ่วงเบื้องต้น สามารถมองได้ว่าเป็นการทำนายจากทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป ซึ่งเรขาคณิตในปริภูมิ-เวลาที่เกือบจะแบนราบ ได้อยู่รอบ ๆ ในการกระจายตัวของมวลที่หยุดนิ่ง แต่ในบางการทำนายจากทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป มีบางเรื่องที่อยู่นอกเหนือไปจากกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันตามฟิสิกส์แบบฉบับ โดยการทำนายเหล่านี้จะเกี่ยวเนื่องกับการผ่านของเวลา เรขาคณิตของปริภูมิ การเคลื่อนที่ของเทหวัตถุในการตกอิสระ และการแพร่กระจายของแสง และยังรวมไปถึงการขยายขนาดของเวลาเชิงโน้มถ่วง เลนส์ความโน้มถ่วง การเลื่อนไปทางแดงเชิงโน้มถ่วงของแสง การล่าช้าของเวลาชาปิโร และภาวะเอกฐานของหลุมดำ โดยในปัจจุบัน การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทั้งหมดได้ยืนยันแล้วว่าเป็นไปตามทฤษฎี ซึ่งจากคำอธิบายที่มีผลขึ้นกับเวลาตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ได้ช่วยให้สามารถอธิบายประวัติศาสตร์ของจักรวาล และจัดวางกรอบการทำงานด้านจักรวาลวิทยา นำไปสู่การค้นพบของบิกแบง และการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ แม้จะมีการนำเสนอทฤษฎีทางเลือกในหลายทฤษฎี แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังคงเป็นทฤษฎีที่ง่ายที่สุดที่สอดคล้องไปกับข้อมูลการทดลอง
ทฤษฎีของไอน์สไตน์มีความหมายสำคัญทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ เช่น แสดงให้เห็นถึงการมีหลุมดำ บริเวณของปริภูมิซึ่งปริภูมิและเวลาบิดเบี้ยวจนไม่มีสิ่งใดแม้กระทั่งแสงสามารถหนีออกมาได้ โดยเป็นจุดจบของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ มีหลักฐานมากพอว่า รังสีเข้มซึ่งแผ่จากวัตถุทางดาราศาสตร์บางชนิดเนื่องมาจากหลุมดำ เช่น ไมโครควาซาร์ (microquasar) และนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ ซึ่งเกิดจากการมีหลุมดำดาวฤกษ์และหลุมดำมวลยวดยิ่งตามลำดับ การโค้งของแสงโดยความโน้มถ่วงสามารถนำไปสู่ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งทำให้สามารถเห็นภาพหลายภาพของวัตถุดาราศาสตร์ที่ระยะทางเท่ากันหลายภาพบนฟ้า สัมพัทธภาพทั่วไปยังทำนายการมีคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งการสังเกตคลื่นเหล่านี้โดยตรงเป็นเป้าหมายของโครงการอย่าง หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ชนิดเลเซอร์ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory: LIGO) ของนาซา สายอากาศอวกาศอินเตอร์เฟอโรเมทรีเลเซอร์ (Laser Interferometer Space Antenna: LISA) ของอีเอสเอ และแถวลำดับตั้งจังหวะพัลซาร์ (pulsar timing array) จำนวนมากซึ่งในปัจจุบัน LIGO ได้สังเกตพบคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว  นอกจากนี้ สัมพัทธภาพทั่วไปยังเป็นพื้นฐานของแบบจำลองจักรวาลวิทยาเอกภาพขยายต่อเนื่องปัจจุบัน