Гравитация (универсальная гравитация) - одно из четырех основных взаимодействий, которое является естественным явлением в том, что все объекты с массой взаимодействуют друг с другом, притягивая друг друга.
В современной физике гравитация описывается общей теорией относительности. Гравитационное взаимодействие в нем является результатом
искривления пространства-времени различными формами материи. В классической физике гравитация описывается законом всемирного тяготения, сформулированным
Исааком НьютономУже в доисторические времена люди наблюдали, что выпущенные объекты падают. Ежедневные наблюдения показывают, что более тяжелые объекты окажутся на земле раньше, чем более легкие. Если мы уроним камень или металлический шар и перо с определенной высоты, перо упадет позже. Более того, есть такие объекты, как туман, дым или воздушные шары, которые, кажется, поднимаются без какой-либо внешней силы. Подобные ежедневные наблюдения, минуя сопротивление и воздушную плавучесть, убедили греческого философа
Аристотеля в том, что процесс падения зависит от «природы» объекта. Эта точка зрения была включена в его физические работы, опубликованные в 355–322 гг. до н.э. Древние не связывали падение тел на Земле с движением планет на небесах. Поведение небесных тел было описано геоцентрической моделью, которая не позволяла увидеть каких-либо аналогий между движением падающего тела и их траекториями . Широко распространено убеждение, что земля и небо регулируются совершенно разными законами.
Возле поверхности нашей планеты (с точностью до километров) и не очень большой площади можно предположить, что гравитационное поле однородно. Это условие выполняется, когда высота над поверхностью и горизонтальное смещение намного меньше радиуса Земли.
В общей теории относительности, описанной
Альбертом Эйнштейном, математическое описание гравитации заключается в определении взаимосвязи между метрическим тензором, описывающим локальные соотношения длин и временных интервалов в пространстве-времени, и энергией, содержащейся в определенной области пространства-времени. Отправной точкой для теории является обобщение принципа относительности
Галилея об эквивалентности описания физических явлений в любых инерциальных системах любым системам отсчета, в том числе неинерциальным. Попытка написать законы механики таким образом, чтобы их математическая форма была одинаковой в любой системе отсчета, приводит к идентификации сил гравитации и инерции, гравитационной и инерционной массы и, наконец, к уравнениям гравитационного поля, связывающего кривизну пространства-времени (выраженную с помощью метрического тензора) с тензором энергии-импульса. Следовательно, в общей теории относительности гравитация является проявлением искривления пространства-времени.
Гравитация в квантовой механике
Современная физика не способна объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Это означает, что ни одна из современных теорий не описывает правильно движение частицы, движущейся со скоростью, сравнимой со скоростью света в вакууме в сильном гравитационном поле, например вблизи или внутри
черной дыры. Общая теория относительности также разрушается в момент
Большого взрыва и сразу после него. Нет надлежащего описания явлений, происходящих в очень малых объемах, сопоставимых с длиной Планка. Хотя эти явления с точки зрения обычного человека кажутся довольно далекими от явлений, которые мы наблюдаем ежедневно, однако, из-за их связи с космологией, результаты, полученные в этих областях, оказывают непосредственное влияние на картину наиболее распространенных явлений.
Это не означает, что вы не пытаетесь постоянно описывать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики. Прогресс в этой области является значительным и включает формулировку многих теорий: от тех, которые анализируют квантование в искривленных пространствах, через теории поля с использованием алгебры
Грассмана, до теории суперструн, которая не является теорией поля. Все эти теории дают некоторое представление о возможной природе квантовой гравитации. Тем не менее, отсутствует последовательная теория, которая, кроме того,
позволяет предсказывать экспериментальные результаты, объединяющие общую теорию относительности и квантовую механику.