Allmän relativitetsteori är en vetenskaplig teori som beskriver hur materia, energi, tid och rum interagerar. Den publicerades första gången av Albert Einstein 1917 som en förlängning av hans speciella relativitetsteori. Allmän relativitetsteori behandlar rum och tid som en enda enhetlig fyrdimensionell ”rymdtid”; under allmän relativitetsteori deformerar materia rumtidens geometri, och rumtidsdeformationer får materia att röra sig, vilket vi ser som gravitation.
Det grundläggande antagandet om allmän relativitet är att krafter orsakade av gravitation och krafter orsakade av acceleration är likvärdiga. Om en stängd låda genomgår acceleration, kan inget experiment som gjorts i lådan säga om lådan är i vila inom ett gravitationsfält eller accelereras genom rymden. Denna princip, att alla fysiska lagar är desamma för accelererade observatörer och observatörer i ett gravitationsfält, är känd som ekvivalensprincipen; den har testats experimentellt med mer än tolv decimalers noggrannhet.
Den viktigaste konsekvensen av ekvivalensprincipen är att rymden inte kan vara euklidisk för alla observatörer. I krökt utrymme, såsom ett skevt ark, gäller inte alltid geometrins normala lagar. Det är möjligt i krökt utrymme att konstruera en triangel vars vinklar summerar till mer eller mindre än 180 grader, eller att rita två parallella linjer som skär varandra. Special relativitetsteori blir mer och mer exakt i takt med att rumtidens krökning går till noll; om rumtiden är platt blir de två teorierna identiska. Hur materia kurvor rymden beräknas med Einsteins fältekvationer, som har formen G = T; G beskriver rummets krökning, medan T beskriver materiens fördelning.
Eftersom rymden är krökt, rör sig inte objekt i generell relativitet alltid i raka linjer, precis som en boll inte kommer att röra sig i en rak linje om du rullar in den i en tratt. Ett fritt fallande föremål kommer alltid att ta den kortaste vägen från punkt A till punkt B, vilket inte nödvändigtvis är en rät linje; linjen som den färdas är känd som en geodetisk. Vi ser avvikelserna från räta linjer som inverkan av ”gravitationen” – jorden rör sig inte i en rak linje eftersom solen förvränger rymdtiden i jordens närhet, vilket gör att den rör sig i en elliptisk bana.
Eftersom gravitationskrafter och accelerationskrafter är helt ekvivalenta, gäller alla effekter på ett snabbt rörligt föremål i speciell relativitet även för föremål djupt inne i gravitationsfält. Ett föremål nära en gravitationskälla kommer att avge Doppler-förskjutet ljus, precis som om det skyndade iväg. Objekt nära gravitationskällor kommer också att tyckas ha tid att sakta ner, och allt inkommande ljus kommer att böjas av fältet. Detta kan få en stark gravitationskälla att böja ljus som en lins, vilket leder till att avlägsna föremål fokuseras; detta fenomen finns ofta inom djup himmelsastronomi, där en galax kommer att böja ljuset från en annan så att flera bilder visas.