В 1907 году, через два года после публикации своей теории специальной относительности, Альберт Эйнштейн пришел к ключевому осознанию: специальная относительность не может быть применена к гравитации или к объекту, испытывающему ускорение. Представьте себе человека, сидящего на Земле в закрытой комнате. Этот человек чувствует гравитационное поле Земли. Теперь поместите ту же комнату в космос, вдали от гравитационного влияния любого объекта, и придайте ей ускорение 9,8 метра в секунду (такое же, как гравитационное ускорение Земли). Человек, находящийся в комнате, не смог бы отличить, что он чувствует — гравитацию или равномерное ускорение.
Затем Эйнштейн задался вопросом, как будет вести себя свет в ускоряющейся комнате. Если посветить фонариком через всю комнату, то окажется, что свет отклоняется вниз. Это произошло бы потому, что пол комнаты приближался бы к лучу света со все большей скоростью, поэтому пол догонял бы свет. Поскольку гравитация и ускорение эквивалентны, свет будет изгибаться в гравитационном поле.
Поиск правильного математического выражения этих идей занял у Эйнштейна еще несколько лет. В 1912 году друг Эйнштейна, математик Марсель Гроссман, познакомил его с тензорным анализом Бернхарда Римана, Туллио Леви-Чивиты и Грегорио Риччи-Курбастро, который позволил ему одинаково выразить законы физики в разных системах координат. Последовали еще три года неверных поворотов и напряженной работы, но в ноябре 1915 года работа была завершена.
В своих четырех работах, опубликованных в ноябре 1915 года, Эйнштейн заложил основы теории. В частности, в третьей работе он использовал общую теорию относительности для объяснения прецессии перигелия Меркурия. Точка наибольшего сближения Меркурия с Солнцем — перигелий — движется. Это движение нельзя было объяснить гравитационным влиянием Солнца и других планет. Это было настолько загадочно, что в XIX веке даже было предложено создать новую планету Вулкан, вращающуюся вблизи Солнца. Но такая планета не понадобилась. Эйнштейн смог рассчитать смещение перигелия Меркурия из первых принципов.
Однако истинная проверка любой теории заключается в том, может ли она предсказать то, что еще не наблюдалось. Общая теория относительности предсказала, что свет будет искривляться в гравитационном поле. В 1919 году британские экспедиции в Африке и Южной Америке наблюдали полное солнечное затмение, чтобы выяснить, изменилось ли положение звезд вблизи Солнца. Наблюдаемый эффект в точности соответствовал предсказаниям Эйнштейна. Эйнштейн мгновенно стал всемирно известным. (Подробнее об этом читайте в статье «Солнечное затмение, которое сделало Альберта Эйнштейна знаменитостью в науке»).
Когда результаты затмения были объявлены, британский физик Дж. Дж. Томсон назвал общую относительность не отдельным результатом, а «целым континентом научных идей». Так оно и оказалось. Черные дыры и расширяющаяся Вселенная — две концепции, которые берут свое начало в общей теории относительности. Даже спутники GPS должны учитывать общие релятивистские эффекты, чтобы обеспечить точное измерение положения людей на Земле.
