جاذبية

جزء من سلسلة عن
الميكانيكا الكلاسيكية
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d\mathbf {p} }{dt}}}$ القانون الثاني للحركة
تاريخ الخط الزمني الكتب المدرسية
الفروع مُطبَّق سماوي استمرارية ديناميكيات نظرية المجال علم الحركة الحركية الإحصائيات الميكانيكا الإحصائية
الأساسيات تسريع الزخم الزاوي زوج مبدأ دالمبيرت طاقة حركي محتمل قوة إطار مرجعي الإطار المرجعي بالقصور الذاتي دفعة القصور الذاتي  / عزم القصور الذاتي كتلة القوة الميكانيكية العمل الميكانيكي لحظة دَفعَة فضاء سرعة وقت عزم الدوران سرعة العمل الافتراضي
تركيبات قوانين نيوتن للحركة الميكانيكا التحليلية ميكانيكا لاغرانج ميكانيكا هاملتونية ميكانيكا روثيان معادلة هاملتون-جاكوبي معادلة آبل للحركة ميكانيكا كوبمان-فون نيومان
المواضيع الأساسية التخميد النزوح معادلات الحركة قوانين أويلر للحركة قوة وهمية احتكاك المذبذب التوافقي إطار مرجعي بالقصور الذاتي  / غير بالقصور الذاتي ميكانيكا حركة الجسيمات المستوية الحركة  ( الخطية ) قانون نيوتن للجاذبية الكونية قوانين نيوتن للحركة السرعة النسبية جسم صلب ديناميكيات معادلات أويلر الحركة التوافقية البسيطة اهتزاز
تناوب الحركة الدائرية إطار مرجعي دوار القوة المركزية قوة الطرد المركزي تفاعلي قوة كوريوليس البندول السرعة المماسية التردد الدوراني التسارع الزاوي  / الإزاحة  / التردد  / السرعة
العلماء كيبلر جاليليو هويجنز نيوتن هوروكس هالي موبيرتويس دانييل برنولي يوهان برنولي أويلر دالمبيرت كليروت لاغرانج لابلاس سمكة هاملتون جاكوبي كوشي روث ليوفيل نداء جيبس كوبمان فون نيومان
بوابة الفيزياء  فئة
ف ت هـ

في الفيزياء، الجاذبية (من الكلمة اللاتينية gravitas  "وزن" ^[1] ) هي تفاعل أساسي يُلاحظ في المقام الأول على أنه انجذاب متبادل بين جميع الأشياء التي لها كتلة . الجاذبية هي الأضعف بكثير من التفاعلات الأساسية الأربعة، فهي أضعف بحوالي 10 ³⁸ مرة من التفاعل القوي ، وأضعف بحوالي 10 ³⁶ مرة من القوة الكهرومغناطيسية وأضعف بحوالي 10 ²⁹ مرة من التفاعل الضعيف . ونتيجة لذلك، ليس لها تأثير كبير على مستوى الجسيمات دون الذرية . ^{[2] ومع ذلك،} فإن الجاذبية هي التفاعل الأكثر أهمية بين الأجسام على المستوى الكلي ، وهي تحدد حركة الكواكب والنجوم والمجرات وحتى الضوء .

على الأرض ، تعطي الجاذبية وزنًا للأجسام المادية ، وتكون جاذبية القمر مسؤولة عن المد والجزر تحت القمري في المحيطات. ويحدث المد والجزر المقابل بسبب قصور الأرض والقمر في دورانهما حول بعضهما البعض. كما أن للجاذبية العديد من الوظائف البيولوجية المهمة، حيث تساعد في توجيه نمو النباتات من خلال عملية الجاذبية الأرضية والتأثير على دوران السوائل في الكائنات متعددة الخلايا .

إن الجاذبية بين المادة الغازية الأصلية في الكون تسببت في اندماجها وتكوين النجوم التي تكثفت في النهاية لتكوّن المجرات، وبالتالي فإن الجاذبية مسؤولة عن العديد من الهياكل الضخمة في الكون. إن الجاذبية لها مدى لا نهائي، على الرغم من أن تأثيراتها تصبح أضعف كلما ابتعدت الأجسام.

يمكن وصف الجاذبية بدقة من خلال نظرية النسبية العامة التي اقترحها ألبرت أينشتاين عام 1915، والتي تصف الجاذبية ليس كقوة، بل كانحناء الزمكان ، الناجم عن التوزيع غير المتساوي للكتلة، مما يتسبب في تحرك الكتل على طول الخطوط الجيوديسية . المثال الأكثر تطرفًا على انحناء الزمكان هذا هو الثقب الأسود ، والذي لا يمكن لأي شيء -ولا حتى الضوء- الهروب منه بمجرد تجاوز أفق الحدث الخاص بالثقب الأسود . [ 3 ^] ومع ذلك، بالنسبة لمعظم التطبيقات، يتم تقريب الجاذبية جيدًا من خلال قانون نيوتن للجاذبية العامة ، والذي يصف الجاذبية كقوة تسبب انجذاب أي جسمين نحو بعضهما البعض، مع حجم متناسب مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيًا مع مربع المسافة بينهما .

تشير النماذج الحالية لفيزياء الجسيمات إلى أن أقدم حالة للجاذبية في الكون، ربما في شكل جاذبية كمية أو جاذبية فائقة أو تفرد جاذبي ، جنبًا إلى جنب مع المكان والزمان العاديين ، تطورت خلال عصر بلانك (حتى 10 ⁻⁴³ ثانية بعد ولادة الكون)، ربما من حالة بدائية، مثل فراغ زائف أو فراغ كمي أو جسيم افتراضي ، بطريقة غير معروفة حاليًا. ^[4] يعمل العلماء حاليًا على تطوير نظرية للجاذبية تتفق مع ميكانيكا الكم ، وهي نظرية الجاذبية الكمية، ^[5] والتي من شأنها أن تسمح للجاذبية بأن تتحد في إطار رياضي مشترك ( نظرية كل شيء ) مع التفاعلات الأساسية الثلاثة الأخرى للفيزياء.

الجاذبية ، والمعروفة أيضًا باسم الجاذبية التجاذبية، هي الجاذبية المتبادلة بين جميع الكتل في الكون. الجاذبية هي الجاذبية على سطح كوكب أو أي جسم سماوي آخر؛ ^[6] قد تشمل الجاذبية أيضًا، بالإضافة إلى الجاذبية، القوة الطاردة المركزية الناتجة عن دوران الكوكب (انظر § جاذبية الأرض) . ^[7]

تم استكشاف طبيعة وآلية الجاذبية من قبل مجموعة واسعة من العلماء القدماء. في اليونان ، اعتقد أرسطو أن الأجسام تسقط نحو الأرض لأن الأرض هي مركز الكون وتجذب كل الكتلة في الكون نحوها. كما اعتقد أن سرعة الجسم الساقط يجب أن تزداد مع وزنه، وهو الاستنتاج الذي ثبت لاحقًا أنه خاطئ. ^[8] بينما تم قبول وجهة نظر أرسطو على نطاق واسع في جميع أنحاء اليونان القديمة، كان هناك مفكرون آخرون مثل بلوتارخ الذين توقعوا بشكل صحيح أن جاذبية الجاذبية ليست فريدة من نوعها للأرض. ^[9]

على الرغم من أنه لم يفهم الجاذبية كقوة، إلا أن الفيلسوف اليوناني القديم أرخميدس اكتشف مركز ثقل المثلث. ^[10] افترض أنه إذا لم يكن لوزنين متساويين نفس مركز الثقل، فإن مركز ثقل الوزنين معًا سيكون في منتصف الخط الذي يربط بين مركزي ثقلهما. ^[11] بعد قرنين من الزمان، زعم المهندس والمعماري الروماني فيتروفيوس في كتابه De architectura أن الجاذبية لا تعتمد على وزن المادة بل على "طبيعتها". ^[12] في القرن السادس الميلادي، اقترح العالم البيزنطي الإسكندري جون فيلوبونوس نظرية الزخم، التي تعدل نظرية أرسطو القائلة بأن "استمرار الحركة يعتمد على استمرار عمل القوة" من خلال دمج قوة سببية تتضاءل بمرور الوقت. ^[13]

في عام 628 م، اقترح عالم الرياضيات والفلك الهندي براهماجوبتا فكرة أن الجاذبية هي قوة جاذبة تجذب الأجسام إلى الأرض واستخدم مصطلح gurutvākarŹ�aṇ لوصفها. ^{[14] [15] [16]}

في الشرق الأوسط القديم ، كانت الجاذبية موضوعًا للنقاش العنيف. كان المفكر الفارسي البيروني يعتقد أن قوة الجاذبية ليست فريدة من نوعها بالنسبة للأرض، وافترض بشكل صحيح أن الأجرام السماوية الأخرى يجب أن تمارس جاذبية أيضًا. ^[17] في المقابل، تبنى الخازني نفس موقف أرسطو بأن كل مادة في الكون تنجذب إلى مركز الأرض. ^[18]

في منتصف القرن السادس عشر، دحض العديد من العلماء الأوروبيين تجريبيًا فكرة أرسطو القائلة بأن الأجسام الثقيلة تسقط بمعدل أسرع. ^[19] على وجه الخصوص، كتب الكاهن الدومينيكي الإسباني دومينغو دي سوتو في عام 1551 أن الأجسام في السقوط الحر تتسارع بشكل موحد. ^[19] ربما تأثر دي سوتو بالتجارب السابقة التي أجراها كهنة دومينيكيون آخرون في إيطاليا، بما في ذلك تلك التي أجراها بينيديتو فارشي وفرانشيسكو بيتو ولوكا جيني وجيوفان بيلاسو والتي تناقضت مع تعاليم أرسطو حول سقوط الأجسام. ^[19]

في منتصف القرن السادس عشر، نشر الفيزيائي الإيطالي جيامباتيستا بينيديتي أوراقًا زعم فيها أنه بسبب الجاذبية النوعية ، فإن الأجسام المصنوعة من نفس المادة ولكن بكتل مختلفة ستسقط بنفس السرعة. ^{[20] في} تجربة برج دلفت عام 1586 ، لاحظ الفيزيائي الفلمنكي سيمون ستيفين أن قذيفتين مدفعيتين بأحجام وأوزان مختلفة سقطتا بنفس المعدل عند إسقاطهما من برج. ^[21] في أواخر القرن السادس عشر، سمحت القياسات الدقيقة التي أجراها جاليليو جاليلي للكرات المتدحرجة على المنحدرات له بإثبات أن تسارع الجاذبية هو نفسه لجميع الأجسام. ^[22] افترض جاليليو أن مقاومة الهواء هي السبب في سقوط الأجسام ذات الكثافة المنخفضة والمساحة السطحية العالية بشكل أبطأ في الغلاف الجوي.

في عام 1604، افترض جاليليو بشكل صحيح أن مسافة الجسم الساقط تتناسب مع مربع الوقت المنقضي. ^[23] وقد أكد ذلك لاحقًا العالمان الإيطاليان اليسوعيان جريمالدي وريتشولي بين عامي 1640 و1650. كما حسبا أيضًا مقدار جاذبية الأرض عن طريق قياس تذبذبات البندول. ^[24]

في عام 1657، نشر روبرت هوك كتابه Micrographia ، حيث افترض أن القمر يجب أن يكون له جاذبيته الخاصة. ^[25] في عام 1666، أضاف مبدأين آخرين: أن جميع الأجسام تتحرك في خطوط مستقيمة حتى تنحرف بفعل قوة ما وأن قوة الجذب تكون أقوى للأجسام الأقرب. في رسالة إلى الجمعية الملكية في عام 1666، كتب هوك ^[26]

سأشرح نظامًا للعالم مختلفًا تمامًا عن أي نظام تم قبوله حتى الآن. وهو يقوم على المواقف التالية. 1. أن جميع الأجرام السماوية لا تتمتع فقط بجاذبية أجزائها تجاه مركزها الخاص، بل إنها أيضًا تجتذب بعضها البعض بشكل متبادل داخل مجالات عملها. 2. أن جميع الأجسام ذات الحركة البسيطة ستستمر في الحركة في خط مستقيم، ما لم تنحرف عنها باستمرار بقوة خارجية، مما يجعلها تصف دائرة أو قطع ناقص أو منحنى آخر. 3. أن هذا الجذب يكون أعظم كلما اقتربت الأجسام. أما بالنسبة للنسبة التي تتناقص بها هذه القوى بزيادة المسافة، فأنا أعترف أنني لم أكتشفها...

أوضحت محاضرة هوك في جريشام عام 1674، محاولة لإثبات الحركة السنوية للأرض ، أن الجاذبية تنطبق على "جميع الأجرام السماوية" ^[27]

في عام 1684، أرسل نيوتن مخطوطة إلى إدموند هالي بعنوان De motu corporum in gyrum ("حول حركة الأجسام في مدار") ، والتي قدمت مبررًا فيزيائيًا لقوانين كبلر لحركة الكواكب . ^[28] أعجب هالي بالمخطوطة وحث نيوتن على التوسع فيها، وبعد بضع سنوات نشر نيوتن كتابًا رائدًا بعنوان Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية ). في هذا الكتاب، وصف نيوتن الجاذبية بأنها قوة عالمية، وادعى أن "القوى التي تحافظ على الكواكب في مداراتها يجب أن تكون متبادلة مثل مربعات مسافاتها عن المراكز التي تدور حولها". تم تكثيف هذا البيان لاحقًا في قانون التربيع العكسي التالي:

$${\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},}$$حيث F هي القوة، و _m1 و m2 هما كتلتا الجسمين المتفاعلين، _و r هي المسافة بين مركزي الكتلتين و G هو ثابت الجاذبية 6.674 × 10 ⁻¹¹  م ³ ⋅كجم ⁻¹ ⋅ثانية ⁻² . ^[29]

حظيت مبادئ نيوتن بقبول جيد من المجتمع العلمي، وانتشر قانون الجاذبية الخاص به بسرعة في جميع أنحاء العالم الأوروبي. ^[30] بعد أكثر من قرن من الزمان، في عام 1821، ارتفعت نظريته في الجاذبية إلى أهمية أكبر عندما تم استخدامها للتنبؤ بوجود نبتون . في ذلك العام، استخدم عالم الفلك الفرنسي أليكسيس بوفارد هذه النظرية لإنشاء جدول يحاكي مدار أورانوس ، والذي تبين أنه يختلف بشكل كبير عن مسار الكوكب الفعلي. من أجل تفسير هذا التناقض، تكهن العديد من علماء الفلك بوجود جسم كبير خارج مدار أورانوس والذي كان يعطل مداره. في عام 1846، استخدم علماء الفلك جون كوتش آدامز وأوربان لو فيرييه بشكل مستقل قانون نيوتن للتنبؤ بموقع نبتون في السماء الليلية، وتم اكتشاف الكوكب هناك في غضون يوم واحد. ^[31]

General relativity
${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\kappa }T_{\mu \nu }}$
Introduction History Timeline Tests Mathematical formulation
Fundamental concepts Equivalence principle Special relativity World line Pseudo-Riemannian manifold
Phenomena Kepler problem Gravitational lensing Gravitational redshift Gravitational time dilation Gravitational waves Frame-dragging Geodetic effect Event horizon Singularity Black hole Spacetime Spacetime diagrams Minkowski spacetime Einstein–Rosen bridge
Equations Formalisms Equations Linearized gravity Einstein field equations Friedmann Geodesics Mathisson–Papapetrou–Dixon Hamilton–Jacobi–Einstein Formalisms ADM BSSN Post-Newtonian Advanced theory Kaluza–Klein theory Quantum gravity
Solutions Schwarzschild (interior) Reissner–Nordström Einstein–Rosen waves Wormhole Gödel Kerr Kerr–Newman Kerr–Newman–de Sitter Kasner Lemaître–Tolman Taub–NUT Milne Robertson–Walker Oppenheimer–Snyder pp-wave van Stockum dust Weyl−Lewis−Papapetrou Hartle–Thorne
Scientists Einstein Lorentz Hilbert Poincaré Schwarzschild de Sitter Reissner Nordström Weyl Eddington Friedmann Milne Zwicky Lemaître Oppenheimer Gödel Wheeler Robertson Bardeen Walker Kerr Chandrasekhar Ehlers Penrose Hawking Raychaudhuri Taylor Hulse van Stockum Taub Newman Yau Thorne others
Physics portal  Category
v t e

في النهاية، لاحظ علماء الفلك انحرافًا في مدار كوكب عطارد لم يمكن تفسيره بنظرية نيوتن: كان الحضيض الشمسي للمدار يتزايد بنحو 42.98 ثانية قوسية لكل قرن. كان التفسير الأكثر وضوحًا لهذا التناقض هو وجود جسم سماوي لم يتم اكتشافه بعد، مثل كوكب يدور حول الشمس على مسافة أقرب من عطارد، لكن كل الجهود المبذولة للعثور على مثل هذا الجسم باءت بالفشل. في عام 1915، طور ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة التي كانت قادرة على نمذجة مدار عطارد بدقة. ^[32]

في النسبية العامة، تُنسب تأثيرات الجاذبية إلى انحناء الزمكان بدلاً من القوة. بدأ أينشتاين في اللعب بهذه الفكرة في شكل مبدأ التكافؤ ، وهو الاكتشاف الذي وصفه لاحقًا بأنه "أسعد فكرة في حياتي". ^[33] في هذه النظرية، يُعتبر السقوط الحر معادلاً للحركة بالقصور الذاتي، مما يعني أن الأجسام بالقصور الذاتي الساقطة بحرية تتسارع بالنسبة للمراقبين غير بالقصور الذاتي على الأرض. ^{[34] [35]} وعلى النقيض من الفيزياء النيوتونية ، اعتقد أينشتاين أنه من الممكن أن يحدث هذا التسارع دون تطبيق أي قوة على الجسم.

اقترح أينشتاين أن الزمكان منحني بسبب المادة، وأن الأجسام الساقطة سقوطًا حرًا تتحرك على طول مسارات مستقيمة محليًا في الزمكان المنحني. تسمى هذه المسارات المستقيمة الجيوديسية . وكما هو الحال في قانون نيوتن الأول للحركة، اعتقد أينشتاين أن القوة المطبقة على جسم ما ستجعله ينحرف عن الجيوديسية. على سبيل المثال، يُمنع الأشخاص الواقفون على سطح الأرض من اتباع مسار جيوديسي لأن المقاومة الميكانيكية للأرض تمارس عليهم قوة صاعدة. وهذا يفسر سبب اعتبار التحرك على طول الجيوديسية في الزمكان بالقصور الذاتي.

تم قبول وصف أينشتاين للجاذبية بسرعة من قبل غالبية علماء الفيزياء، حيث كان قادرًا على تفسير مجموعة واسعة من النتائج التجريبية المحيرة سابقًا. ^[36] في السنوات التالية، قدمت مجموعة واسعة من التجارب دعمًا إضافيًا لفكرة النسبية العامة. ^{[37] : ص 1-9  [38] [39] [40] [41]} اليوم، تُستخدم نظرية النسبية لأينشتاين في جميع الحسابات الجاذبية حيث تكون الدقة المطلقة مطلوبة، على الرغم من أن قانون التربيع العكسي لنيوتن دقيق بما يكفي لجميع الحسابات العادية تقريبًا. ^{[37] : ص 79  [42]}

في الفيزياء الحديثة ، تظل النسبية العامة الإطار لفهم الجاذبية. ^[43] ويواصل الفيزيائيون العمل على إيجاد حلول لمعادلات مجال أينشتاين التي تشكل أساس النسبية العامة ويستمرون في اختبار النظرية، ويجدون اتفاقًا ممتازًا في جميع الحالات. ^{[44] [45] [37] : ص 9}

معادلات مجال أينشتاين هي نظام مكون من 10 معادلات تفاضلية جزئية تصف كيف تؤثر المادة على انحناء الزمكان. غالبًا ما يتم التعبير عن النظام في الشكل حيث G _μν هو موتر أينشتاين ، و g _μν هو الموتر المتري ، و T _μν هو موتر الإجهاد والطاقة ، و Λ هو الثابت الكوني ، و ثابت نيوتن للجاذبية و سرعة الضوء . ^[46] يُشار إلى الثابت باسم ثابت جاذبية أينشتاين. ^[47]$${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu },}$$${\displaystyle G}$${\displaystyle c}$${\displaystyle \kappa ={\frac {8\pi G}{c^{4}}}}$

يعد اكتشاف الحلول الدقيقة لمعادلات مجال أينشتاين أحد مجالات البحث الرئيسية. إن حل هذه المعادلات يعادل حساب قيمة دقيقة للموتر المتري (الذي يحدد انحناء وهندسة الزمكان) في ظل ظروف فيزيائية معينة. لا يوجد تعريف رسمي لما يشكل مثل هذه الحلول، لكن معظم العلماء يتفقون على أنه يجب التعبير عنها باستخدام الدوال الأولية أو المعادلات التفاضلية الخطية . ^[48] تتضمن بعض الحلول الأكثر شهرة للمعادلات ما يلي:

• حل شوارزشيلد ، الذي يصف الزمكان المحيط بجسم ضخم غير دوار متماثل كرويًا وغير مشحون. بالنسبة للأجسام المدمجة بدرجة كافية، أنتج هذا الحل ثقبًا أسودًا به تفرد مركزي . ^[49] عند نقاط بعيدة عن الكتلة المركزية، تكون التسارعات التي تنبأ بها حل شوارزشيلد متطابقة عمليًا مع تلك التي تنبأت بها نظرية نيوتن للجاذبية. ^[50]
• حل رايسنر-نوردستروم ، الذي يحلل جسمًا كرويًا متماثلًا غير دوار يحمل شحنة، وقد اكتشفه بشكل مستقل العديد من الباحثين المختلفين بين عامي 1916 و1921. ^[51] في بعض الحالات، يمكن لهذا الحل التنبؤ بوجود ثقوب سوداء ذات أفق حدث مزدوج . ^[52]
• حل كير ، الذي يعمم حل شوارزشيلد على الأجسام الضخمة الدوارة. ونظرًا لصعوبة إدراج تأثيرات الدوران في معادلات مجال أينشتاين، لم يتم اكتشاف هذا الحل حتى عام 1963. ^[53]
• حل كير-نيومان للأجسام الضخمة المشحونة الدوارة. تم التوصل إلى هذا الحل في عام 1964، باستخدام نفس تقنية تحويل الإحداثيات المعقدة التي تم استخدامها لحل كير. ^[54]
• حل فريدمان -ليماتر-روبرتسون-ووكر الكوني ، الذي اكتشفه ألكسندر فريدمان عام 1922 ثم أكده جورج لوميتر عام 1927. كان هذا الحل ثوريًا في التنبؤ بتوسع الكون ، والذي تم تأكيده بعد سبع سنوات بعد سلسلة من القياسات التي أجراها إدوين هابل . ^[55] حتى أنه أظهر أن النسبية العامة غير متوافقة مع الكون الثابت ، واعترف أينشتاين لاحقًا بأنه كان مخطئًا في تصميم معادلات المجال الخاصة به لتفسير كون لا يتوسع. ^[56]

اليوم، لا تزال هناك العديد من المواقف المهمة التي لم يتم فيها حل معادلات مجال أينشتاين. ومن أبرز هذه المواقف مشكلة الجسمين ، والتي تتعلق بهندسة الزمكان حول جسمين ضخمين يتفاعلان مع بعضهما البعض، مثل الشمس والأرض، أو النجمين في نظام نجمي ثنائي . ويصبح الموقف أكثر تعقيدًا عند النظر في تفاعلات ثلاثة أجسام ضخمة أو أكثر ( مشكلة الجسم n )، ويشتبه بعض العلماء في أن معادلات مجال أينشتاين لن يتم حلها أبدًا في هذا السياق. ^[57] ومع ذلك، لا يزال من الممكن إنشاء حل تقريبي لمعادلات المجال في مشكلة الجسم n باستخدام تقنية التوسع ما بعد نيوتن . ^[58] بشكل عام، فإن اللاخطية الشديدة لمعادلات مجال أينشتاين تجعل من الصعب حلها في جميع الحالات باستثناء الحالات الأكثر تحديدًا. ^[59]

على الرغم من نجاحها في التنبؤ بتأثيرات الجاذبية على المقاييس الكبيرة، فإن النسبية العامة غير متوافقة في النهاية مع ميكانيكا الكم . وذلك لأن النسبية العامة تصف الجاذبية بأنها تشوه سلس ومستمر للزمكان، في حين تعتقد ميكانيكا الكم أن جميع القوى تنشأ من تبادل الجسيمات المنفصلة المعروفة باسم الكم . هذا التناقض مزعج بشكل خاص للفيزيائيين لأن القوى الأساسية الثلاث الأخرى (القوة القوية والقوة الضعيفة والكهرومغناطيسية) تم التوفيق بينها وبين إطار الكم منذ عقود. ^[60] ونتيجة لذلك، بدأ الباحثون المعاصرون في البحث عن نظرية يمكن أن توحد كل من الجاذبية وميكانيكا الكم تحت إطار أكثر عمومية. ^[61]

أحد المسارات هو وصف الجاذبية في إطار نظرية المجال الكمومي ، والتي نجحت في وصف التفاعلات الأساسية الأخرى بدقة . تنشأ القوة الكهرومغناطيسية من تبادل الفوتونات الافتراضية ، حيث أن وصف QFT للجاذبية هو أنه يوجد تبادل للجرافيتونات الافتراضية . ^{[62] [63]} هذا الوصف يعيد إنتاج النسبية العامة في الحد الكلاسيكي . ومع ذلك، يفشل هذا النهج في مسافات قصيرة من رتبة طول بلانك ، ^[64] حيث تكون هناك حاجة إلى نظرية أكثر اكتمالاً للجاذبية الكمومية (أو نهج جديد لميكانيكا الكم).

كان اختبار تنبؤات النسبية العامة صعبًا تاريخيًا، لأنها متطابقة تقريبًا مع تنبؤات الجاذبية النيوتونية للطاقات والكتل الصغيرة. ^[65] ومع ذلك، منذ تطويرها، قدمت سلسلة مستمرة من النتائج التجريبية الدعم للنظرية: ^[65]

• في عام 1919، تمكن عالم الفيزياء الفلكية البريطاني آرثر إدينجتون من تأكيد عدسة الجاذبية المتوقعة للضوء أثناء كسوف الشمس في ذلك العام . ^{[66] [67]} قام إدينجتون بقياس انحرافات ضوء النجوم بمقدار ضعف تلك التي تنبأت بها نظرية نيوتن الجسيمية، وفقًا لتوقعات النسبية العامة. على الرغم من أن تحليل إدينجتون كان محل نزاع لاحقًا، إلا أن هذه التجربة جعلت أينشتاين مشهورًا بين عشية وضحاها وتسببت في قبول النسبية العامة على نطاق واسع في المجتمع العلمي. ^[68]
• في عام 1959، أجرى الفيزيائيان الأمريكيان روبرت باوند وجلين ريبكا تجربة استخدما فيها أشعة جاما لتأكيد التنبؤ بتمدد الزمن الجاذبي . من خلال إرسال الأشعة إلى أسفل برج يبلغ ارتفاعه 74 قدمًا وقياس ترددها في الأسفل، أكد العلماء أن الضوء ينزاح نحو الأحمر أثناء تحركه نحو مصدر الجاذبية. كما دعم الانزياح الأحمر المرصود فكرة أن الوقت يمر بشكل أبطأ في وجود مجال جاذبية. ^[69]
• تم التعرف لأول مرة على التأخير الزمني للضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم بواسطة إروين شابيرو في عام 1964 في إشارات المركبات الفضائية بين الكواكب. ^[70]
• في عام 1971، اكتشف العلماء أول ثقب أسود على الإطلاق في مجرة ​​الدجاجة . وقد تم اكتشاف الثقب الأسود لأنه كان يصدر رشقات من الأشعة السينية أثناء استهلاكه لنجم أصغر، وقد عُرف باسم الدجاجة X-1 . ^[71] وقد أكد هذا الاكتشاف تنبؤًا آخر للنسبية العامة، لأن معادلات أينشتاين كانت تعني أن الضوء لا يمكنه الهروب من جسم كبير ومضغوط بدرجة كافية. ^[72]
• تنص النسبية العامة على أن الجاذبية تؤثر على الضوء والمادة بالتساوي، مما يعني أن جسمًا ضخمًا بدرجة كافية يمكن أن يحرف الضوء حوله ويخلق عدسة جاذبية . تم تأكيد هذه الظاهرة لأول مرة من خلال الملاحظة في عام 1979 باستخدام تلسكوب 2.1 متر في مرصد كيت بيك الوطني في أريزونا، والذي رأى صورتين مرآويتين لنفس الكوازار الذي انحني ضوءه حول المجرة YGKOW G1 . ^{[73] [74]}
• تم تأكيد فكرة سحب الإطار ، وهي فكرة مفادها أن جسمًا ضخمًا دوارًا يجب أن يلوي الزمكان حوله، من خلال نتائج مسبار الجاذبية B في عام 2011. ^{[75] [76]}
• في عام 2015، اكتشف مرصد ليغو موجات جاذبية خافتة ، والتي تنبأت نظرية النسبية العامة بوجودها. يعتقد العلماء أن الموجات انبعثت من اندماج ثقب أسود حدث على بعد 1.5 مليار سنة ضوئية . ^[77]

كل جسم كوكبي (بما في ذلك الأرض) محاط بحقل جاذبيته الخاص، والذي يمكن تصوره باستخدام الفيزياء النيوتونية على أنه يمارس قوة جذب على جميع الأجسام. وبافتراض وجود كوكب متماثل كرويًا، فإن قوة هذا المجال عند أي نقطة معينة فوق السطح تتناسب طرديًا مع كتلة الجسم الكوكبي وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة من مركز الجسم.

إن قوة المجال الجاذبي تساوي عدديًا تسارع الأجسام الخاضعة لتأثيره. ^[78] يختلف معدل تسارع الأجسام الساقطة بالقرب من سطح الأرض بشكل طفيف جدًا اعتمادًا على خط العرض وميزات السطح مثل الجبال والتلال، وربما كثافات باطن الأرض المرتفعة أو المنخفضة بشكل غير عادي. ^[79] لأغراض الأوزان والمقاييس، يتم تعريف قيمة الجاذبية القياسية من قبل المكتب الدولي للأوزان والمقاييس ، بموجب النظام الدولي للوحدات (SI).

قوة الجاذبية على الأرض هي المحصلة (مجموع المتجهات) لقوتين: ^[7] (أ) قوة الجاذبية وفقًا لقانون نيوتن العالمي للجاذبية، و (ب) قوة الطرد المركزي، والتي تنتج عن اختيار إطار مرجعي دوار مرتبط بالأرض. تكون قوة الجاذبية أضعف عند خط الاستواء بسبب قوة الطرد المركزي الناتجة عن دوران الأرض ولأن النقاط على خط الاستواء هي الأبعد عن مركز الأرض. تتغير قوة الجاذبية مع خطوط العرض وتزداد من حوالي 9.780 م / ث ² عند خط الاستواء إلى حوالي 9.832 م / ث ² عند القطبين. ^{[80] [81]}

تتنبأ النسبية العامة بإمكانية نقل الطاقة خارج النظام من خلال الإشعاع الجاذبي. كان أول دليل غير مباشر على الإشعاع الجاذبي من خلال قياسات ثنائي هالس-تايلور في عام 1973. يتكون هذا النظام من نجم نابض ونجم نيوتروني في مدار حول بعضهما البعض. انخفضت فترة مداره منذ اكتشافه الأولي بسبب فقدان الطاقة، وهو ما يتسق مع مقدار فقدان الطاقة بسبب الإشعاع الجاذبي. حصل هذا البحث على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. ^[82]

تم قياس أول دليل مباشر على الإشعاع الجاذبي في 14 سبتمبر 2015 بواسطة أجهزة الكشف LIGO . تم قياس الموجات الجاذبة المنبعثة أثناء اصطدام ثقبين أسودين على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض. ^{[83] [84]} تؤكد هذه الملاحظة التوقعات النظرية لأينشتاين وآخرين بوجود مثل هذه الموجات. كما أنها تفتح الطريق للملاحظة العملية وفهم طبيعة الجاذبية والأحداث في الكون بما في ذلك الانفجار العظيم. ^{[85] تخلق أيضًا تكوين} النجوم النيوترونية والثقوب السوداء كميات قابلة للكشف من الإشعاع الجاذبي. ^[86] حصل هذا البحث على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2017. ^[87]

في ديسمبر 2012، أعلن فريق بحثي في ​​الصين أنه أنتج قياسات لتأخر طور المد والجزر على الأرض أثناء اكتمال القمر والجديد والتي يبدو أنها تثبت أن سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء. ^[88] وهذا يعني أنه إذا اختفت الشمس فجأة، فإن الأرض ستظل تدور حول النقطة الخالية بشكل طبيعي لمدة 8 دقائق، وهو الوقت الذي يستغرقه الضوء لقطع تلك المسافة. نُشرت نتائج الفريق في مجلة Science Bulletin في فبراير 2013. ^[89]

في أكتوبر 2017، استقبلت أجهزة الكشف LIGO وVirgo إشارات موجات الجاذبية في غضون ثانيتين من أقمار أشعة جاما والتلسكوبات البصرية التي ترى إشارات من نفس الاتجاه. وأكد هذا أن سرعة الموجات الثقالية كانت مساوية لسرعة الضوء. ^[90]

هناك بعض الملاحظات التي لم يتم أخذها في الاعتبار بشكل كافٍ، مما قد يشير إلى الحاجة إلى نظريات أفضل للجاذبية أو ربما يمكن تفسيرها بطرق أخرى.

• النجوم فائقة السرعة : تتبع النجوم في المجرات توزيعًا للسرعات حيث تتحرك النجوم على أطراف المجرات بسرعة أكبر مما ينبغي وفقًا للتوزيعات المرصودة للمادة الطبيعية. تظهر المجرات داخل مجموعات المجرات نمطًا مشابهًا. قد تفسر المادة المظلمة ، التي تتفاعل من خلال الجاذبية ولكن ليس كهرومغناطيسيًا، هذا التناقض. كما تم اقتراح تعديلات مختلفة على ديناميكيات نيوتن .
• التوسع المتسارع : يبدو أن توسع الكون يتسارع. ^{[91] وقد تم اقتراح} الطاقة المظلمة لتفسير ذلك. ^[92]
• شذوذ التحليق القريب : شهدت العديد من المركبات الفضائية تسارعًا أكبر من المتوقع أثناء مناورات مساعدة الجاذبية . ^[93] وقد ثبت أن شذوذ بايونير يمكن تفسيره بالارتداد الحراري بسبب إشعاع الشمس البعيد على جانب واحد من المركبة الفضائية. ^{[94] [95]}

• نظرية أرسطو في الجاذبية
• نظرية الجاذبية للوساج (1784) والتي تسمى أيضًا جاذبية لوساج ولكن تم اقتراحها في الأصل من قبل فاتيو وتم تطويرها بشكل أكبر من قبل جورج لويس لوساج ، استنادًا إلى تفسير قائم على السوائل حيث يملأ الغاز الخفيف الكون بأكمله.
• نظرية ريتز في الجاذبية ، Ann. Chem. Phys. 13، 145، (1908) ص 267-271، ديناميات كهربائية ويبر-جاوس مطبقة على الجاذبية. التقدم الكلاسيكي في الحضيض الشمسي.
• نظرية نوردستروم في الجاذبية (1912، 1913)، وهي منافس مبكر للنسبية العامة.
• نظرية كالوزا-كلاين (1921)
• نظرية وايتهايد في الجاذبية (1922)، وهي منافس مبكر آخر للنسبية العامة.

• نظرية برانس-ديكي للجاذبية (1961) ^[96]
• الجاذبية المستحثة (1967)، اقتراح قدمه أندريه ساخاروف والذي بموجبه قد تنشأ النسبية العامة من نظريات المجال الكمومي للمادة
• نظرية الأوتار (أواخر الستينيات)
• ƒ(R) الجاذبية (1970)
• نظرية هورنديسكي (1974) ^[97]
• الجاذبية الفائقة (1976)
• في ديناميكيات نيوتن المعدلة (MOND) (1981)، يقترح موردهاي ميلجروم تعديل قانون نيوتن الثاني للحركة للتسارعات الصغيرة ^[98]
• نظرية علم الكونيات الخلقية الذاتية للجاذبية (1982) التي وضعها جيه إيه باربر والتي تم فيها تعديل نظرية برانس-ديكي للسماح بخلق الكتلة
• الجاذبية الكمومية الحلقية (1988) بقلم كارلو روفيلي ، ولي سمولين ، وأبهي أشتيكار
• نظرية الجاذبية غير المتماثلة (NGT) (1994) بقلم جون موفات
• الجاذبية الموترية-المتجهية-القياسية (TeVeS) (2004)، تعديل نسبي لـ MOND بواسطة Jacob Bekenstein
• نظرية الحرباء (2004) بقلم جوستين خوري وأماندا ويلتمان .
• نظرية الضغط (2013) بقلم أوليفييه مينازولي وأوريلين هيس.
• الجاذبية المطابقة ^[99]
• الجاذبية كقوة إنتروبيا ، الجاذبية تنشأ كظاهرة ناشئة عن مفهوم الإنتروبيا في الديناميكا الحرارية.
• في نظرية الفراغ الفائق المائع تنشأ الجاذبية والزمكان المنحني كنمط إثارة جماعي للخلفية الفائقة المائع غير النسبية .
• الجاذبية الهائلة ، وهي نظرية حيث أن الجرافيتونات والموجات الثقالية لها كتلة غير صفرية

• إ. برنارد كوهين (1999) [1687]. "دليل إلى مبادئ نيوتن". المبادئ: المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية . تأليف نيوتن، إسحاق. ترجمة إ. برنارد كوهين. مطبعة جامعة كاليفورنيا. رقم ISBN 9780520088160. OCLC  313895715.
• هاليداي، ديفيد؛ روبرت ريسنيك؛ كينيث إس. كرين (2001). فيزياء، المجلد الأول . نيويورك: جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-32057-9.
• سيرواي، رايموند أ.؛ جيويت، جون دبليو. (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين (الطبعة السادسة). بروكس/كول. رقم ISBN 978-0-534-40842-8.
• تيبلر، بول (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين: الميكانيكا والتذبذبات والموجات والديناميكا الحرارية (الطبعة الخامسة). دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 978-0-7167-0809-4.
• ثورن، كيب س .؛ ميزنر، تشارلز دبليو.؛ ويلر، جون أرشيبالد (1973). الجاذبية . دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 978-0-7167-0344-0.
• بانيك، ريتشارد (2 أغسطس 2019). "كل ما كنت تعتقد أنك تعرفه عن الجاذبية خاطئ". واشنطن بوست .

• محاضرات فاينمان في الفيزياء المجلد الأول الفصل السابع: نظرية الجاذبية
• "الجاذبية"، موسوعة الرياضيات ، EMS Press ، 2001 [1994]
• "الجاذبية، نظرية"، موسوعة الرياضيات ، EMS Press ، 2001 [1994]