Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.
3. Физическая сущность гравитации
Анализируя современные теории гравитации, начиная с Ньютона и его последователей, мы видим сложность восприятия этого явления. Она заключается в том, что термин «тяготение» ассоциируется с термином «гравитационное излучение». Но если это излучение, т.е. нечто, исходящее от гравитирующего тела (например, Земли), то, как оно может действовать в обратном направлении, т.е. притягивать? Гегель указывал на это несоответствие ещё 200 лет назад. Он считал, что притяжение есть производное от отталкивания, однако, обосновать это теоретически не удосужился.
Физика не может использовать интуитивные прозрения, если их нельзя сформулировать последовательным математическим языком и дополнить описанием на обычном языке. Кроме того, существующие сегодня теории гравитации, включая закон всемирного тяготения Ньютона и общую теорию относительности Эйнштейна, не отвечают на самый главный вопрос – откуда берётся энергия на создание и поддержание гравитационного поля. По расчётам учёных сила притяжения Солнца, удерживающая Землю на орбите, составляет 3,6х10^(21)кгс. Но кроме Земли надо притягивать и другие планеты. Учёные попали в тупик, выяснив, что Солнце не в состоянии энергетически обеспечить притяжение планет солнечной системы. Ньютон, да и Эйнштейн долго бились над этим вопросом, но так и не нашли разумного ответа. В конце концов, Ньютон решил, что сама масса является источником силы притяжения. Так появилась гравитационная масса, которую он отделил от веса. Но при этом ему пришлось внести в свою теорию другую массу – инертную, как количество вещества. К его удивлению, математические вычисления показали, что эти массы в точности равны друг другу. Так родился закон эквивалентности тяжёлой и инертной массы, который Эйнштейн использовал для построения общей теории относительности. Таким образом, Ньютон отказался от физического объяснения наблюдаемых явлений, заменив его математическим. По его пути пошёл и Эйнштейн, создавая свою теорию гравитации, в которой доминирующую роль играет не масса, а пространство и время, как физические объекты. Поэтому его теорию называют ещё геометрической. Конечно, геометрия может определять параметры сил, но она не может быть причиной движения.
В ХХ веке появилась, и начала быстро развиваться квантовая теория микромира и отдельная её ветвь – квантовая теория гравитации. Её трудность, прежде всего, заключается в том, что она основана на математическом формализме довольно высокого уровня, когда по результатам вычислений судят о физической сущности рассматриваемого явления. Кроме того, она постулирует наличие в природе элементарных частиц – гравитонов, ответственных за гравитационное взаимодействие. Как известно, несмотря на долгие поиски, эти частицы так и не были обнаружены. К тому же, эта теория, как и все предыдущие, не отвечает на вопрос – где находится источник энергии, питающий гравитационное поле. Итак, все перечисленные выше теории, а также подобные им (сегодня их насчитывается более десятка) являются чисто математическими, с невыявленной физической сущностью. Такие теории не дают выхода на проведение экспериментов, подтверждающих их. Объясняя отсутствие широкомасштабных экспериментов с гравитацией, учёные ссылаются на то, что, согласно теории Ньютона, для их проведения требуется огромная масса, поскольку именно она является источником гравитационных сил, а это практически невыполнимо. Что же касается общей теории относительности Эйнштейна, то в ней, как уже отмечалось, одна математика, а физической сущностью выступают пространство и время, которые не поддаются экспериментам. Не в лучшем виде в этом вопросе выглядит и квантовая теория гравитации. А, как уже говорилось в главе 1, при использовании математических методов в решении задач, необходимо соблюдать осторожность.
В первую очередь, для проверки термодинамической природы гравитации необходимо создать искусственное гравитирующее тело. До сих пор такая идея не могла прийти в голову ни одному исследователю, поскольку она противоречила бы всем известным на сегодня теориям гравитации. Однако, согласно ТМГ, процессы, связанные с излучением гравитационных волн Землёй можно сымитировать в миниатюре. Сама природа подсказывает, как это можно осуществить, причём очень просто и наглядно. Для этого необходимо взять шар, желательно побольше, из материала, выдерживающего высокую температуру. Внутрь его поместить источник тепловой энергии и установить этот шар на весы. Предположительно, он должен терять в весе (конечно незначительно) вследствие того, что своим гравитационным излучением будет отталкиваться от подобного излучения Земли (так же как Луна). Так и произошло. Для решающего эксперимента был изготовлен стальной шар диаметром 100мм. В шаре было сделано конусное отверстие до центра. Затем его поставили на лабораторные весы рычажного типа ВЛТ-5 с ценой деления 0,3г и уравновесили обычными гирями. Вес шара составил 4,2кг. В качестве источника тепловой энергии был использован лазер ЛТ1-2 с энергией луча 5 кВт. Луч был направлен в конусное отверстие шара сверху вниз. По мере повышения температуры поверхности шара (измерение проводилось термопарой) стрелка весов, как и предполагалось, медленно отклонялась в сторону уменьшения веса. Приблизительно через полтора часа, при достижении температуры поверхности шара 300°С лазер был выключен. Разница (уменьшение) в весе шара по сравнению с первоначальным показанием (в холодном состоянии) составила 3г (десять делений шкалы). При отключении лазера, вес вернулся к исходному.
Далее, чтобы разнообразить эксперименты, гравитирующее тело было изготовлено в форме тора, или, попросту говоря, большого бублика из каолинового волокна с «запеченной» внутри по оси электроспиралью мощностью 500Вт. Тепловой поток в нём, как и в шаре, распространяется изнутри по радиусу, т.е. будет направленным. Взвешивание «бублика» производилось на тех же весах, что и в предыдущем опыте. В этом эксперименте, как и в опыте с шаром, тепловая энергия на создание гравитационного излучения расходовалась со всей поверхности тора. При этом рабочая часть поверхности, которая взаимодействует с гравитационным излучением Земли, составляет 20-25% от всей его поверхности. Если бы вся энергия спирали была направлена в рабочую, нижнюю, зону тора, то эффект потери веса тора увеличился бы раз в 10. Это предположение можно отнести и к эксперименту с шаром. Выводы, полученные из этих двух опытов, послужили толчком для создания гравитирующего тела в виде «тарелки». Эта «летающая тарелка» была изготовлена из двух алюминиевых полусфер диаметром 350мм. В нижней полусфере установили графитовый сердечник (излучатель) диаметром и высотой 100мм. Нижний его торец выпустили на 10мм наружу, а на верхнем уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 0,8кВт. Всё остальное пространство обеих полусфер было заполнено каолиновым волокном. Вес «тарелки» в холодном состоянии составил 3,5кг, а гравитирующая способность (уменьшение веса) к концу эксперимента составила 5г. Взвешивание проводилось всё на тех же весах. Надо сказать, что здесь я ожидал лучшего результата. Очевидно, большая часть теплового потока, проходящего через сердечник, отклонялась в стороны для прогрева теплоизоляции его боковой поверхности. В результате, только часть теплового потока преобразовалась в гравитационное излучение, которое взаимодействовало с подобным излучением Земли.
Наилучшие результаты, т.е. потеря веса, были получены на модели гравитирующего тела, в шутку названного «летающая кастрюля», по аналогии с «летающей тарелкой». Эта модель и в самом деле была изготовлена из кастрюли с диаметром и высотой 160мм. В днище вырезали отверстие диаметром 100мм, на которое уложили диск из графита диаметром 130мм и толщиной 35мм. На диск, как и в предыдущем эксперименте, уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 600Вт. Всё свободное пространство «кастрюли» заполнили каолиновым волокном. Вес модели в холодном состоянии составил 2,534кг. На этот раз взвешивание проводилось на электронных весах МК-6-А20 с ценой деления 2г. Это позволило наблюдать за изменением веса модели во времени вплоть до минут в процессе её нагревания, а затем остывания в естественных условиях. Модель была установлена на специальной подставке, исключающей возможность нагрева механизма весов. Результаты эксперимента сведены в таблицу.(см. таблицу изменения веса модели при нагреве и остывании)
Гравитация
Гравита́ция (притяжение, всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана.
Содержание
Гравитационное взаимодействие
В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы 
и 
, разделёнными расстоянием 
, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть:
Здесь 
— гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725×10 −11 м³/(кг·с²).
Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.
Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.
Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.
Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).
Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.
Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.
Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.
Небесная механика и некоторые её задачи
Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации, называется небесной механикой.
Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.
При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.
В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений — сложная структура колец Сатурна.
Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.
Сильные гравитационные поля
В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):
Гравитационное излучение
Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако существуют весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса — Тейлора) — хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.
где 
— тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа 
(1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.
Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA (англ.), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» [2] республики Татарстан.
Тонкие эффекты гравитации
Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.
Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле. В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.
Классические теории гравитации
В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.
Существует современная каноническая [4] классическая теория гравитации — общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.
Общая теория относительности
В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем — метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля — с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.
Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.
Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).
Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.
Теория Эйнштейна — Картана
Теория Бранса — Дикке
Квантовая теория гравитации
Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2. Однако получающаяся теория неперенормируема, и поэтому считается неудовлетворительной.
В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.
Теория струн
В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Вариантом теории струн является М-теория.
Петлевая квантовая гравитация
В ней делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону, пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только от Планковского времени после Большого Взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть раньше. Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса.
Причинная динамическая триангуляция
В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) размеров порядка планковских с учётом принципа причинности. Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.
