สัมพัทธภาพทั่วไป

*เรื่องนอกกรอบ: เรื่องนี้อยู่นอกกรอบของสารานุกรมนี้ จะมีข้อมูลพื้นฐานเพียงบางส่วนเท่านั้น

สัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ขยายกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ให้ใช้ได้ในกรณีที่ความเร็วสูงหรือพลังงานสูง

ทั้งนี้กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันนั้นมีความถูกต้องมาก เมื่อสนามโน้มถ่วงอ่อนเทียบกับรัศมีชวาสชายด์ (Schwarzschild radius) \[ r \gg r_s := \frac{2GM}{c^2} \] และความเร็วน้อยกว่าแสงมาก \[ v^2 \ll c^2 \]

กรณีตัวอย่างที่ใช้สัมพัทธภาพทั่วไปแทนกฎของนิวตัน เช่น

  • วงโคจรของดาวพุธ มีอัตราเร็วประมาณ 47 km/s = 0.00016c
    อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 58 Gm = 2.0E7rs โดยรัศมีชวาสชายด์ของดวงอาทิตย์เป็น 2.9 km
    ผลจากสัมพัทธภาพทั่วไปเพิ่มการเลื่อนของวงโคจรของดาวพุธไปอีก 0.10 as ต่อรอบ (คิดเป็นความคลาดเคลื่อน 7.7E-8) หรือ 0.43 as/y
    สอดคล้องกับค่าที่วัดได้ 56.00 as/y โดยกฎของนิวตันคำนวณได้ 55.57 as/y
  • เลนส์ความโน้มถ่วง เกิดจากมวลทำให้การเดินทางของแสงโค้ง ต่างจากกฎของนิวตันที่แรงโน้มถ่วงส่งผลต่อเฉพาะสิ่งที่มีมวล
  • คลื่นความโน้มถ่วง เกิดจากมวลส่งผลต่อกาลอวกาศ ต่างจากกฎของนิวตันที่อวกาศคงที่และแรงโน้มถ่วงส่งผลต่อมวล
  • หลุมดำ เมื่อมวลอยู่รวมกันในรัศมีที่เล็กกว่ารัศมีของชวาสชายด์ ความโน้มถ่วงจะสูงกว่าที่แสงหรือวัตถุใดๆ จะเคลื่อนที่ออกไปได้
    แม้ว่าหลุมดำจะเป็นไปได้ตามกฎของนิวตันเช่นกัน แต่ไม่อธิบายถึงผลของการโค้งและยืดของกาลอวกาศ
  • การขยายตัวของจักรวาล ต่างจากกฎของนิวตันที่อวกาศคงที่

กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน \[ ma = -G \frac{mM}{r^2} \] เขียนเป็นสนามโน้มถ่วง \(\Phi\) ได้ว่า \[ ma = -m \nabla \Phi \] \[ M = \int \rho dV \] \[ \nabla^2 \Phi = 4 \pi G \rho \] \[ \nabla^2 = \sum_i \partial_i \partial_i - \Gamma^k_{\ ii}\partial_k \] กฎนี้ไม่ได้คำนึงถึงอัตราเร็วของแสง และความสัมพันธ์ระหว่างเวลากับอวกาศ
พจน์ \(\Gamma\) คือความเร่งเนื่องจากกรอบอ้างอิง

กฎแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ในสัมพันธภาพทั่วไป มองว่าไม่มีสนามโน้มถ่วงที่ส่งผลต่อความเร่ง \(a\)
มวลทำให้กาลอวกาศโค้ง และอนุภาคเดินทางไปตามเส้นโค้ง \(g_{\mu\nu}\) นั้น
\[ R_{\mu\nu} - \frac12 R g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \] โดยเทนเซอร์พลังงาน-โมเมนตัม (energy-momentum tensor) \[ T_{\mu\nu} = \frac{1}{p_0} p_\mu p_\nu \] \[ p_\mu = \rho (c, v_x, v_y, v_z) \] เทนเซอร์ของริชชี (Ricci tensor) \[ R_{\mu\nu} := R^{\rho}_{\ \mu\rho\nu} \] เทนเซอร์ของรีมาน (Riemann tensor) \[ R^{\sigma}_{\ \rho\mu\nu} := \partial_\mu \Gamma^{\sigma}_{\ \rho\nu} -\partial_\nu \Gamma^{\sigma}_{\ \rho\mu} +\Gamma^{\sigma}_{\ \lambda\mu} \Gamma^{\lambda}_{\ \rho\nu} -\Gamma^{\sigma}_{\ \lambda\nu} \Gamma^{\lambda}_{\ \rho\mu} \] ตัวย่อของคริสโตเฟล (Christoffel symbol) \[ \Gamma_{\sigma\rho\mu} := \frac12 (g_{\sigma\rho,\mu} + g_{\sigma\mu,\rho} - g_{\mu\rho,\sigma}) \] \[ \Gamma^\nu_{\ \rho\mu} = g^{\nu\sigma}\Gamma_{\sigma\rho\mu} \] \[ g_{\mu\nu,\rho} = \partial_\rho g_{\mu\nu} \] เมทริกบนกาลอวกาศที่โค้ง \[ ds^2 = g_{\mu\nu} dx^\mu dx^\nu \] ใช้ \(g\) แทน \(\eta\) ในสัมพัทธภาพพิเศษที่กาลอวกาศราบ