جاذبية

استكشف العديد من علماء العصور القديمة طبيعة الجاذبية وآليتها. ففي اليونان القديمة ، اعتقد أرسطو أن لكل عنصر من العناصر الكلاسيكية موقعًا طبيعيًا في الكون يميل إلى التحرك نحوه، فالأرض تقع في مركز الكون (مركز الأرض، التي كانت تُعرف آنذاك بأنها كروية)، ثم الماء والهواء والنار والأثير في طبقات متحدة المركز من الداخل إلى الخارج. ^{[ 10 ]} كما اعتقد أن سرعة الجسم الساقط تزداد مع ازدياد وزنه، وهو استنتاج ثبت لاحقًا خطئه. ^{[ 11 ]} وبينما لاقت وجهة نظر أرسطو قبولًا واسعًا في اليونان القديمة، تنبأ مفكرون آخرون، مثل بلوتارخ، بشكل صحيح بأن جاذبية الأرض ليست حكرًا عليها. ^{[ 12 ]}

على الرغم من أنه لم يفهم الجاذبية كقوة، فقد اكتشف الفيلسوف اليوناني القديم أرخميدس مركز ثقل المثلث. ^{[ 13 ]} وافترض أنه إذا لم يكن لوزنين متساويين مركز ثقل واحد، فإن مركز ثقلهما معًا سيكون في منتصف الخط الواصل بين مركزي ثقلهما. ^{[ 14 ]} بعد قرنين من الزمان، جادل المهندس المعماري الروماني فيتروفيوس في كتابه "دي أركيتكتورا " بأن الجاذبية لا تعتمد على وزن المادة، بل على "طبيعتها". ^{[ 15 ]} في القرن السادس الميلادي، اقترح العالم البيزنطي الإسكندري يوحنا فيلوبونوس نظرية الدفع، التي تُعدّل نظرية أرسطو القائلة بأن "استمرار الحركة يعتمد على استمرار تأثير القوة" من خلال دمج قوة مُسببة تتضاءل بمرور الوقت. ^{[ 16 ]}

في عام 628 ميلادي، اقترح عالم الرياضيات والفلك الهندي براهمغوبتا فكرة أن الجاذبية قوة جاذبة تجذب الأجسام إلى الأرض، واستخدم مصطلح "غوروتفاكارشان" لوصفها. ^{[ 17 ] : 105 [ 18 ] [ 19 ]}

في الشرق الأوسط القديم ، كانت الجاذبية موضوع نقاش حاد. فقد اعتقد المفكر الفارسي البيروني أن قوة الجاذبية ليست حكرًا على الأرض، وافترض، عن حق، أن الأجرام السماوية الأخرى تمارس جاذبية أيضًا. ^{[ 20 ]} في المقابل، تبنى الخازني نفس موقف أرسطو القائل بأن جميع المادة في الكون تنجذب إلى مركز الأرض. ^{[ 21 ]}

في منتصف القرن السادس عشر، دحض العديد من العلماء الأوروبيين تجريبياً المفهوم الأرسطي القائل بأن الأجسام الأثقل تسقط بمعدل أسرع. ^{[ 22 ]} وعلى وجه الخصوص، كتب الكاهن الدومينيكاني الإسباني دومينغو دي سوتو عام 1551 أن الأجسام في السقوط الحر تتسارع بتسارع منتظم. ^{[ 22 ]} ربما تأثر دي سوتو بتجارب سابقة أجراها كهنة دومينيكان آخرون في إيطاليا، بمن فيهم بينيديتو فاركي ، وفرانشيسكو بياتو، ولوكا غيني ، وجيوفان بيلاسو، والتي تناقضت مع تعاليم أرسطو حول سقوط الأجسام. ^{[ 22 ]}

نشر الفيزيائي الإيطالي جيامباتيستا بينيديتي، في منتصف القرن السادس عشر، أبحاثًا زعم فيها أنه بسبب الجاذبية النوعية ، تسقط الأجسام المصنوعة من نفس المادة ولكن بكتل مختلفة بنفس السرعة. ^{[ 23 ]} وفي تجربة برج دلفت عام 1586 ، لاحظ الفيزيائي الفلمنكي سيمون ستيفن أن كرتين مدفعية مختلفتين في الحجم والوزن تسقطان بنفس المعدل عند إسقاطهما من برج. ^{[ 24 ]}

في أواخر القرن السادس عشر، مكّنت قياسات غاليليو غاليلي الدقيقة للكرات المتدحرجة على المنحدرات من إثبات أن تسارع الجاذبية الأرضية متساوٍ لجميع الأجسام. ^{[ 25 ] [ 26 ] : 334} افترض غاليليو أن مقاومة الهواء هي السبب في أن الأجسام ذات الكثافة المنخفضة ومساحة السطح الكبيرة تسقط ببطء أكبر في الغلاف الجوي. في كتابه " علمان جديدان" عام 1638 ، أثبت غاليليو أن المسافة التي يقطعها الجسم الساقط تتناسب طرديًا مع مربع الزمن المنقضي. كانت طريقته شكلًا من أشكال التكامل العددي البياني، نظرًا لأن مفاهيم الجبر والتفاضل والتكامل لم تكن معروفة في ذلك الوقت. ^{[ 27 ] : 4} وقد أكد هذا لاحقًا العالمان الإيطاليان غريمالدي وريتشيولي بين عامي 1640 و1650 . كما قاما بحساب مقدار جاذبية الأرض عن طريق قياس تذبذبات البندول. ^{[ 28 ]}

خالف غاليليو أيضًا الأفكار الخاطئة للفلسفة الأرسطية، إذ اعتبر القصور الذاتي استمرارًا للحركة، لا ميلًا للتوقف. وباعتباره أن قوانين الفيزياء تبدو متطابقة على متن سفينة متحركة كما هي على اليابسة، طور غاليليو مفهومي الإطار المرجعي ومبدأ النسبية . ^{[ 29 ] : 5} أصبحت هذه المفاهيم أساسية في ميكانيكا نيوتن، ثم تحولت لاحقًا إلى نظرية أينشتاين للجاذبية، وهي النظرية النسبية العامة. ^{[ 30 ] : 17}

في الربع الأخير من القرن السادس عشر، ابتكر تيكو براهي أدوات دقيقة لعلم الفلك ، موفرًا بذلك رصدًا دقيقًا للكواكب. قام مساعده وخليفته، يوهانس كيبلر ، بتحليل هذه البيانات ووضع ثلاثة قوانين تجريبية لحركة الكواكب. كانت هذه القوانين أساسية لتطوير نظرية الجاذبية بعد مئة عام. ^{[ 31 ]} في كتابه "أسترونوميا نوفا" الصادر عام 1609 ، وصف كيبلر الجاذبية بأنها تجاذب متبادل، مدعيًا أنه إذا لم تكن الأرض والقمر متباعدين بفعل قوة ما، فإنهما سيتقاربان. أدرك كيبلر أن القوى الميكانيكية تُسبب الحركة، مُنشئةً نوعًا من الآلة السماوية. من ناحية أخرى، رأى كيبلر قوة الشمس على الكواكب كقوة مغناطيسية تعمل بشكل مماس لمداراتها، وافترض مع أرسطو أن القصور الذاتي يعني أن الأجسام تميل إلى السكون. ^{[ 32 ] [ 33 ] : 846}

في عام 1666، تجنّب جيوفاني ألفونسو بوريلي المشكلات الرئيسية التي حدّت من قدرات كبلر. وبحلول زمن بوريلي، كان مفهوم القصور الذاتي قد اكتسب معناه الحديث باعتباره ميل الأجسام إلى البقاء في حركة منتظمة، وكان ينظر إلى الشمس كجرم سماوي عادي. طوّر بوريلي فكرة التوازن الميكانيكي، وهو التوازن بين القصور الذاتي والجاذبية. وقد أشار نيوتن إلى تأثير بوريلي على نظريته. ^{[ 33 ] : 848}

في عام 1657، نشر روبرت هوك كتابه "ميكروغرافيا" ، الذي افترض فيه أن للقمر جاذبية خاصة به. ^{[ 34 ] : 57} وفي رسالة إلى الجمعية الملكية عام 1666 ومحاضرته في جريشام عام 1674 بعنوان " محاولة لإثبات الحركة السنوية للأرض" ، اتخذ هوك خطوة مهمة بدمج الفرضيات ذات الصلة ثم صياغة تنبؤات بناءً على هذه الفرضيات. ^{[ 35 ]} كتب:

سأشرح نظامًا للعالم يختلف اختلافًا جذريًا عن أي نظامٍ عُلم به سابقًا. وهو قائم على المعتقدات التالية: 1. أن جميع الأجرام السماوية لا تقتصر على انجذاب أجزائها نحو مركزها فحسب، بل إنها تتجاذب أيضًا فيما بينها ضمن نطاق تأثيرها. 2. أن جميع الأجسام ذات الحركة البسيطة ستستمر في الحركة في خط مستقيم، ما لم تُحرف باستمرار عن مسارها بفعل قوة خارجية، مما يجعلها ترسم دائرة أو قطعًا ناقصًا أو أي منحنى آخر. 3. أن هذا التجاذب يزداد كلما اقتربت الأجسام من بعضها. أما بالنسبة لنسبة تناقص هذه القوى مع ازدياد المسافة، فأعترف أنني لم أكتشفها بعد... ^{[ 36 ] [ 37 ]}

كان هوك مُتواصلًا بارزًا ساهم في إعادة صياغة المنهج العلمي. ^{[ 38 ]} كان من أوائل العلماء المحترفين، وعمل أمينًا للتجارب في الجمعية الملكية حديثة التأسيس آنذاك لمدة أربعين عامًا. ^{[ 39 ]} مع ذلك، بقيت رؤاه القيّمة مجرد فرضيات، وبعضها كان خاطئًا. ^{[ 40 ]} لم يتمكن من وضع نظرية رياضية للجاذبية واستنباط نتائجها. ^{[ 33 ] : 853} ولذلك، لجأ إلى نيوتن، وكتب له رسالة عام 1679، مُحددًا نموذجًا لحركة الكواكب في الفراغ أو الفضاء الخارجي بفعل التجاذب عن بُعد. من المُرجح أن هذه الرسالة وجّهت تفكير نيوتن نحو اتجاه جديد، ما أدى إلى عمله الثوري في مجال الجاذبية. ^{[ 38 ]} عندما نشر نيوتن نتائجه عام 1686، ادّعى هوك أن جزء قانون التربيع العكسي كان من ابتكاره .

قبل عام 1684، توصل علماء من بينهم كريستوفر رين وروبرت هوك وإدموند هالي إلى أن قانون كبلر الثالث ، المتعلق بفترات دوران الكواكب، سيثبت قانون التربيع العكسي إذا كانت المدارات دائرية. إلا أنه كان من المعروف أن المدارات بيضاوية. وبناءً على اقتراح هالي، تناول نيوتن هذه المسألة وتمكن من إثبات أن المدارات البيضاوية تثبت أيضًا علاقة التربيع العكسي استنادًا إلى ملاحظات كبلر. ^{[ 30 ] : 13} وفي عام 1684، أرسل إسحاق نيوتن مخطوطة إلى إدموند هالي بعنوان "De motu corporum in gyrum " (حول حركة الأجسام في مدار) ، والتي قدمت تبريرًا فيزيائيًا لقوانين كبلر لحركة الكواكب. ^{[ 41 ]} أعجب هالي بالمخطوطة وحث نيوتن على التوسع فيها، وبعد بضع سنوات نشر نيوتن كتابًا رائدًا بعنوان Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية ).

كان الجانب الثوري في نظرية نيوتن للجاذبية هو توحيد الملاحظات الأرضية للتسارع مع الميكانيكا السماوية. ^{[ 42 ] : 4} وصف نيوتن في كتابه الجاذبية بأنها قوة كونية، وزعم أنها تؤثر على الأجسام "وفقًا لكمية المادة الصلبة التي تحتويها، وتنتشر في جميع الاتجاهات لمسافات هائلة دائمًا بنسبة عكسية لمربع المسافات". ^{[ 43 ] : 546} تضمنت هذه الصياغة جزأين مهمين. أولهما مساواة الكتلة العطالية بالكتلة الجاذبية . يُعرّف قانون نيوتن الثاني القوة من خلال${\displaystyle F=ma}$بالنسبة للكتلة القصور الذاتي، يستخدم قانونه لقوة الجاذبية نفس الكتلة. أجرى نيوتن تجارب باستخدام البندولات للتحقق من هذا المفهوم قدر استطاعته. ^{[ 30 ] : 11}

كان الجانب الثاني من صياغة نيوتن هو مقلوب مربع المسافة. لم يكن هذا الجانب جديدًا، فقد اقترحه الفلكي إسماعيل بوليالدوس حوالي عام 1640. وسعيًا منه لإثبات ذلك، أجرى نيوتن تحليلًا كميًا حوالي عام 1665، آخذًا في الاعتبار دورة القمر ومسافته في مداره، بالإضافة إلى توقيت سقوط الأجسام على الأرض. لم ينشر نيوتن هذه النتائج في ذلك الوقت لأنه لم يستطع إثبات أن جاذبية الأرض تعمل كما لو كانت كتلتها كلها مركزة في مركزها . استغرق منه هذا الإثبات عشرين عامًا. ^{[ 30 ] : 13}

حظي كتاب نيوتن " الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" (برينسيبيا) باستقبالٍ واسعٍ في الأوساط العلمية، وسرعان ما انتشر قانونه للجاذبية في أرجاء العالم الأوروبي. وبعد أكثر من قرن، وتحديدًا في عام 1821، اكتسبت نظريته في الجاذبية أهميةً أكبر عندما استُخدمت للتنبؤ بوجود كوكب نبتون . في ذلك العام، استخدم الفلكي الفرنسي ألكسيس بوفارد هذه النظرية لإنشاء جدولٍ يُحاكي مدار كوكب أورانوس ، والذي تبيّن أنه يختلف اختلافًا كبيرًا عن مسار الكوكب الفعلي. ولتفسير هذا التباين، تكهّن العديد من الفلكيين بوجود جسمٍ ضخمٍ خارج مدار أورانوس يُؤثّر على مداره . وفي عام 1846، استخدم الفلكيان جون كوتش آدامز وأوربان لو فيرييه، بشكلٍ مستقل، قانون نيوتن للتنبؤ بموقع نبتون في سماء الليل، وتم اكتشاف الكوكب هناك في غضون يومٍ واحد. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

تم اختصار صياغة نيوتن لاحقاً إلى قانون التربيع العكسي:$${\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},}$$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 م³ كجم⁻¹ ^{ث⁻² .  [ 46} ] على الرغم من أن ^G يُسمى أيضًا ثابت نيوتن، إلا أن نيوتن لم يستخدم هذا الثابت أو ^{هذه الصيغة، بل} ناقش التناسب فقط. لكن هذا مكّنه من التوصل إلى استنتاج مذهل نعتبره اليوم أمرًا مفروغًا منه: جاذبية الأرض على القمر هي نفسها جاذبية الأرض على تفاحة.$${\displaystyle M_{\text{earth}}\propto a_{\text{apple}}R_{\text{radius of earth}}^{2}=a_{\text{moon}}R_{\text{lunar orbit}}^{2}}$$باستخدام القيم المعروفة آنذاك، تمكن نيوتن من التحقق من هذا الشكل من قانونه. وقد قاس هنري كافنديش قيمة ثابت الجاذبية (G) في عام 1797. ^{[ 47 ] : 31}

تعارضت نظرية نيوتن للجاذبية مع فكرة أساسية في العلم، آنذاك والآن: لا ينبغي أن تعتمد القوى على التأثير الفوري عن بُعد . كان نيوتن مدركًا تمامًا لهذه المسألة، وشكّل قراره بالمضي قدمًا تحولًا في الفكر العلمي بعيدًا عن النماذج السليمة فلسفيًا ولكنها معيبة تجريبيًا. ^{[ 48 ] : 44} وقد اشتكى علماء مثل غوتفريد فيلهلم لايبنتز من هذا الجانب من نظرية الجاذبية. ^{[ 49 ] : 339} ولم تُحل هذه المسألة إلا مع عمل أينشتاين على النسبية في القرن العشرين. ^{[ 7 ]}

في نهاية المطاف، لاحظ علماء الفلك انحرافًا في مدار كوكب عطارد لم تستطع نظرية نيوتن تفسيره: إذ كان حضيض المدار يزداد بنحو 42.98 ثانية قوسية في القرن الواحد. وكان التفسير الأوضح لهذا التباين هو وجود جرم سماوي لم يُكتشف بعد، ككوكب يدور حول الشمس على مسافة أقرب من عطارد، لكن جميع الجهود المبذولة للعثور على مثل هذا الجرم باءت بالفشل. وفي عام 1915، وضع ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة التي استطاعت محاكاة مدار عطارد بدقة. ^{[ 50 ]}

أدخلت نظرية أينشتاين فكرتين أخريين لهما تاريخ مستقل في النظريات الفيزيائية للجاذبية: مبدأ النسبية والهندسة غير الإقليدية .

أدى مبدأ النسبية، الذي قدمه غاليليو واستخدمه نيوتن كمبدأ أساسي، إلى بحث طويل وغير مثمر عن الأثير المضيء بعد أن أثبتت معادلات ماكسويل أن الضوء ينتشر بسرعة ثابتة مستقلة عن الإطار المرجعي. في ميكانيكا نيوتن، تتجمع السرعات: فقذيفة مدفع تُطلق من سفينة متحركة ستسير في مسار يشمل حركة السفينة. وبما أن سرعة الضوء ثابتة، فقد افترض أنها تنتقل في وسط ثابت ومطلق. سعت العديد من التجارب إلى الكشف عن هذا الوسط لكنها فشلت، وفي عام 1905، أظهرت نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين أن الأثير غير ضروري. اقترحت النسبية الخاصة إعادة صياغة الميكانيكا لاستخدام تحويل لورنتز المطبق بالفعل على الضوء بدلاً من تحويل غاليليو الذي اعتمده نيوتن. لم تتناول النسبية الخاصة، كما في الحالة الخاصة ، الجاذبية على وجه التحديد. ^{[ 30 ] : 4}

بينما ارتبطت النسبية بالميكانيكا، وبالتالي بالجاذبية، لم تُدمج فكرة تغيير الهندسة في سياق الجاذبية إلا بعد أن استلزمت الميكانيكا تحويلات لورنتز. كانت الهندسة علمًا قديمًا تحرر تدريجيًا من قيود إقليدس عندما اكتشف كارل غاوس في القرن التاسع عشر أن الأسطح في أي عدد من الأبعاد يمكن وصفها بمقياس ، وهو قياس للمسافة على طول أقصر مسار بين نقطتين، والذي يؤول إلى المسافة الإقليدية عند التباعد المتناهي الصغر. طور برنارد ريمان ، تلميذ غاوس، هذا المقياس إلى هندسة كاملة بحلول عام ١٨٥٤. تتميز هذه الهندسات بأنها مسطحة محليًا، ولكنها ذات انحناء كلي . ^{[ ٣٠ ] : ٤}

في عام 1907، خطا أينشتاين خطوته الأولى باستخدام النسبية الخاصة لإنشاء صيغة جديدة لمبدأ التكافؤ . كان تكافؤ الكتلة العطالية والكتلة الجاذبية قانونًا تجريبيًا معروفًا. الكتلة m في قانون نيوتن الأول،${\displaystyle F=ma}$، لها نفس قيمة m في قانون نيوتن للجاذبية على الأرض،${\displaystyle F=GMm/r^{2}}$فيما وصفه لاحقًا بأنه "أسعد فكرة في حياتي"، أدرك آينشتاين أن هذا يعني أنه في حالة السقوط الحر، يوجد نظام إحداثيات متسارع بدون مجال جاذبية محلي . ^{[ 51 ]} يجب أن يتحول أي وصف للجاذبية في أي نظام إحداثيات آخر بحيث لا يُعطي أي مجال في حالة السقوط الحر، وهو قيد ثبات قوي على جميع نظريات الجاذبية. ^{[ 30 ] : 20}

حظي وصف أينشتاين للجاذبية بقبول غالبية الفيزيائيين لسببين. أولاً، بحلول عام 1910، كانت نظريته النسبية الخاصة مقبولة في الفيزياء الألمانية، وبدأت تنتشر إلى بلدان أخرى. ثانياً، فسرت نظريته نتائج تجريبية، مثل حضيض عطارد وانحناء الضوء حول الشمس، بشكل أفضل من نظرية نيوتن. ^{[ 52 ]}

في عام ١٩١٩، تمكن عالم الفيزياء الفلكية البريطاني آرثر إدينغتون من تأكيد الانحراف المتوقع للضوء خلال كسوف الشمس في ذلك العام . ^{[ ٥٣ ] [ ٥٤ ]} قاس إدينغتون انحرافات ضوء النجوم بمقدار ضعف ما تنبأت به نظرية نيوتن الجسيمية، بما يتوافق مع تنبؤات النسبية العامة. على الرغم من أن تحليل إدينغتون قد تم التشكيك فيه لاحقًا، إلا أن هذه التجربة جعلت آينشتاين مشهورًا بين عشية وضحاها تقريبًا، وساهمت في انتشار قبول النسبية العامة على نطاق واسع في الأوساط العلمية. ^{[ ٥٥ ]}

في عام 1959، أجرى الفيزيائيان الأمريكيان روبرت باوند وجلين ريبكا تجربةً استخدما فيها أشعة غاما لتأكيد تنبؤ تمدد الزمن بفعل الجاذبية . ومن خلال إرسال الأشعة إلى أسفل برج يبلغ ارتفاعه 74 قدمًا وقياس ترددها في الأسفل، أكد العالمان أن الضوء يتعرض لانزياح دوبلر أثناء تحركه نحو مصدر الجاذبية. كما يدعم الانزياح الملحوظ فكرة أن الزمن يمر ببطء أكبر في وجود مجال جاذبية (حيث يمر عدد أكبر من قمم الموجات في فترة زمنية محددة). إذا تحرك الضوء للخارج من مصدر جاذبية قوي، فسيتم رصده بانزياح نحو الأحمر . ^{[ 56 ]} وقد رصد إيروين آي. شابيرو لأول مرة تأخير مرور الضوء بالقرب من جسم ضخم في عام 1964 في إشارات المركبات الفضائية بين الكواكب. ^{[ 57 ]}

في عام 1971، حقق العلماء أول اكتشاف على الإطلاق لثقب أسود في كوكبة الدجاجة . تم رصد الثقب الأسود لأنه كان يُصدر دفعات من الأشعة السينية أثناء ابتلاعه لنجم أصغر، وأصبح يُعرف باسم سيغنوس إكس-1 . ^{[ 58 ]} أكد هذا الاكتشاف تنبؤًا آخر من تنبؤات النسبية العامة، حيث أشارت معادلات أينشتاين إلى أن الضوء لا يمكنه الإفلات من جسم كبير الحجم وكثيف بما فيه الكفاية. ^{[ 59 ]}

تم تأكيد ظاهرة سحب الإطار ، وهي فكرة أن جسمًا ضخمًا يدور حول نفسه يُسبب التواءً في نسيج الزمكان، من خلال نتائج مسبار الجاذبية B في عام 2011. ^{[ 60 ] [ 61 ]} وفي عام 2015، رصد مرصد ليغو موجات جاذبية خافتة ، والتي تنبأت بها النسبية العامة. ويعتقد العلماء أن هذه الموجات انبعثت من اندماج ثقبين أسودين حدث على بُعد 1.5 مليار سنة ضوئية . ^{[ 62 ]}

تحدث الأمواج في المحيطات والبحيرات وغيرها من المسطحات المائية عندما يختل التوازن الجاذبي على سطح الماء بفعل عوامل مثل الرياح. ^{[ 67 ]} وتحدث تأثيرات مماثلة في الغلاف الجوي حيث يختل التوازن بفعل الجبهات الحرارية أو السلاسل الجبلية. ^{[ 68 ]}

أثناء تكوّن النجوم، تتنافس قوة الجذب في سحابة من غاز الهيدروجين مع ضغط الغاز الحراري. ومع ازدياد كثافة الغاز، ترتفع درجة حرارته، ثم يشع الغاز طاقة، مما يسمح بتكثيف إضافي بفعل الجاذبية. إذا كانت كتلة الغاز في المنطقة منخفضة، تستمر العملية حتى يتكوّن قزم بني أو كوكب غازي عملاق . أما إذا توفرت كتلة أكبر، فإن طاقة الجاذبية الإضافية تسمح للمنطقة المركزية بالوصول إلى ضغوط كافية للاندماج النووي ، مُشكّلةً نجمًا . في النجم، تتنافس قوة الجذب مجددًا مع الضغط الحراري والإشعاعي في حالة توازن هيدروستاتيكي حتى ينفد وقود النجم الذري. تعتمد المرحلة التالية على الكتلة الإجمالية للنجم. تبرد النجوم ذات الكتلة المنخفضة جدًا ببطء لتصبح أقزامًا بيضاء ذات نواة صغيرة تُوازن قوة الجذب مع ضغط انحلال الإلكترونات . أما النجوم ذات الكتل المشابهة لكتلة الشمس فتمر بمرحلة العملاق الأحمر قبل أن تصبح أقزامًا بيضاء. بينما تمتلك النجوم ذات الكتلة الأعلى هياكل نووية معقدة تحرق الهيليوم وعناصر ذات أعداد ذرية عالية، مُنتجةً في النهاية نواة حديدية . مع نفاد وقودها، تصبح هذه النجوم غير مستقرة، مما يؤدي إلى انفجار مستعر أعظم . وقد ينتج عن ذلك نجم نيوتروني حيث يتوازن التجاذب الثقالي مع ضغط انحلال النيوترونات ، أو، بالنسبة للكتل الأعلى، ثقب أسود حيث تعمل الجاذبية وحدها بكثافة هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. ^{[ 69 ] : 121}

تتنبأ النسبية العامة بإمكانية انتقال الطاقة خارج النظام عبر الإشعاع الثقالي، المعروف أيضًا بالموجات الثقالية. وكان أول دليل غير مباشر على وجود الإشعاع الثقالي من خلال قياسات نظام هولس-تايلور الثنائي عام 1973. يتكون هذا النظام من نجم نابض ونجم نيوتروني يدوران حول بعضهما البعض. وقد انخفضت فترة دورانه منذ اكتشافه الأولي نتيجة فقدان الطاقة، وهو ما يتوافق مع مقدار الطاقة المفقودة بسبب الإشعاع الثقالي. وقد حاز هذا البحث على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. ^{[ 70 ]}

تم رصد أول دليل مباشر على وجود الإشعاع الثقالي في 14 سبتمبر 2015 بواسطة كاشفات ليغو . وقد تم قياس الموجات الثقالية المنبعثة أثناء اصطدام ثقبين أسودين على بُعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض. ^{[ 71 ] [ 72 ]} تؤكد هذه الملاحظة التنبؤات النظرية لأينشتاين وغيره بوجود هذه الموجات. كما أنها تفتح الطريق أمام الرصد العملي وفهم طبيعة الجاذبية والأحداث في الكون، بما في ذلك الانفجار العظيم. ^{[ 73 ]} يُنتج تكوّن النجوم النيوترونية والثقوب السوداء أيضًا كميات قابلة للرصد من الإشعاع الثقالي. ^{[ 74 ]} وقد حاز هذا البحث على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2017. ^{[ 75 ]}

على المستوى الكوني، تُعدّ الجاذبية عاملاً مهيمناً. يتكون حوالي 5/6 من إجمالي كتلة الكون من المادة المظلمة التي تتفاعل عبر الجاذبية لا عبر التفاعلات الكهرومغناطيسية. تجذب جاذبية تجمعات المادة المظلمة، المعروفة بهالات المادة المظلمة، غاز الهيدروجين، مما يؤدي إلى نشأة النجوم والمجرات. ^{[ 76 ]}

تؤثر الجاذبية على الضوء والمادة على حد سواء، ما يعني أن جسمًا ذا كتلة كافية قد يُشوّه الضوء حوله ويُشكّل عدسة جاذبية. وقد تأكدت هذه الظاهرة لأول مرة من خلال رصدٍ أُجري عام 1979 باستخدام تلسكوب قطره 2.1 متر في مرصد كيت بيك الوطني في أريزونا، حيث رُصدت صورتان معكوسان لنفس الكوازار الذي انحنى ضوؤه حول المجرة YGKOW G1 . ^{[ 77 ] [ 78 ]} وقدّمت العديد من عمليات الرصد اللاحقة لظاهرة عدسة الجاذبية أدلة إضافية على وجود كميات كبيرة من المادة المظلمة حول المجرات. لا تُركّز عدسات الجاذبية الضوء كعدسات النظارات ، بل تُشكّل أشكالًا حلقية تُعرف بحلقات أينشتاين . ^{[ 47 ] : 370}

في أكتوبر 2017، استقبلت أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية LIGO و Virgo إشارات الموجات الثقالية قبل ثانيتين من استقبالها من قبل أقمار أشعة غاما والتلسكوبات البصرية التي رصدت إشارات من نفس الاتجاه، من مصدر يبعد حوالي 130 مليون سنة ضوئية. وقد أكد هذا أن سرعة الموجات الثقالية هي نفسها سرعة الضوء. ^{[ 79 ]}

هناك بعض الملاحظات التي لم يتم تفسيرها بشكل كافٍ، والتي قد تشير إلى الحاجة إلى نظريات أفضل للجاذبية أو ربما يمكن تفسيرها بطرق أخرى.

• منحنيات دوران المجرات : تتبع النجوم في المجرات توزيعًا للسرعات، حيث تتحرك النجوم الموجودة على أطراف المجرة بسرعة أكبر مما ينبغي وفقًا للتوزيعات المرصودة للمادة المضيئة. وتُظهر المجرات داخل عناقيد المجرات نمطًا مشابهًا. يُعتبر هذا النمط دليلًا قويًا على وجود المادة المظلمة ، التي تتفاعل من خلال الجاذبية وليس الكهرومغناطيسية؛كما اقتُرحت تعديلات مختلفة على الديناميكا النيوتونية . ^{[ 80 ]}
• التوسع المتسارع : يبدو أن توسع الكون يتسارع. ^{[ 81 ]} وقد طُرحت الطاقة المظلمة لتفسير ذلك. ^{[ 82 ]}
• شذوذ التحليق : شهدت مركبات فضائية مختلفة تسارعًا أكبر من المتوقع أثناءمناورات المساعدة بالجاذبية . ^{[ 83 ]} وقد تبين أن شذوذ مركبة بايونير يُعزى إلى الارتداد الحراري الناتج عن إشعاع الشمس البعيد على أحد جانبي المركبةالفضائية . ^{[ 84 ] [ 85 ]}

ينص قانون نيوتن التربيعي العكسي على أن الجاذبية قوة F بين جسمين تتناسب مع كتلتهما m : $${\displaystyle F_{12}=G{\frac {m_{1}m_{2}}{{r_{12}}^{2}}}}$$ تتسبب قوة الجاذبية هذه في تسارع الأجسام نحو بعضها البعض ما لم تتوازن مع قوى أخرى. هذه القوة "غير محلية": فهي تعتمد على كتلة الجسم عند مسافة معينة. ^{[ 86 ] : 44} أدرك العلماء، بدءًا من نيوتن، أن هذا التأثير عن بُعد لا يُفسر السبب الجذري للقوة؛ وقد أُثير هذا النقص في السبب الجذري ضد نظرية نيوتن في البداية. ^{[ 87 ] : 339} ومع ذلك، يُفسر النموذج عددًا كبيرًا من التأثيرات الفيزيائية، بما في ذلك مسارات قذائف المدفع، وحركة المد والجزر، ومدارات الكواكب. ^{[ 86 ] : 4} يتطلب وضع نظرية مستقلة عن التأثير عن بُعد الجمع بين مفهوم النسبية والجاذبية، وهي مهمة بالغة التعقيد باستخدام نموذج نيوتن. ^{[ 86 ] : 48}

يستخدم نهجٌ مكافئٌ ثانٍ لنمذجة الجاذبية الحقول. ^{[ 86 ] : 44} في الفيزياء، يُمثّل الحقل ظاهرةً فيزيائيةً باستخدام كيانٍ رياضيٍّ مرتبطٍ بكل نقطةٍ في الفضاء. تستخدم نظريات الحقول المختلفة كياناتٍ ومفاهيمَ مختلفةً للفضاء. بالنسبة لنظريات الحقول الكلاسيكية للجاذبية، يمكن أن تكون الكيانات متجهاتٍ مرتبطةً بنقاطٍ في فضاءٍ ثلاثيّ الأبعاد. يُعطي كلُّ متجهٍ القوةَ التي تتعرض لها كتلةُ اختبارٍ صغيرةٌ جدًّا عند تلك النقطة في الفضاء. يمكن حساب متجه القوة عند كل نقطةٍ على أنه اتجاه أعلى معدل تغيرٍ في جهد الجاذبية، وهو رقمٌ واحدٌ عند كل نقطةٍ في الفضاء. تُوفّر الخريطة ثلاثية الأبعاد للجهد أو لحقل الجاذبية تمثيلًا مرئيًّا لتأثير الجاذبية لجميع الأجسام المحيطة. نماذج الحقول محلية: تُحدّد قيم الحقل على الكرة تأثيرات الجاذبية على الكرة بشكلٍ كامل. ^{[ 86 ] : 45}

تُستخدم الحقول أيضًا في النسبية العامة، ولكن بدلًا من كونها متجهات في الفضاء الإقليدي ، فإن الكيانات عبارة عن موترات في الزمكان . تربط معادلات أينشتاين للحقول القيم العشر المستقلة في الموترات بتوزيع الكتلة والطاقة في الفضاء.

ثمة طريقة ثالثة مختلفة تمامًا لاستنباط نموذج للجاذبية، وهي تلك القائمة على مبادئ الفعل . يُمثل هذا النموذج تأثيرات الجاذبية على النظام بطريقة رياضية مجردة. تُعبّر حالة النظام، كموقع وسرعة كل جسيم على سبيل المثال، عن كيان رياضي واحد. لكل حالة خاصية طاقة مرتبطة بها تُسمى لاغرانجيان ؛ وتُقلل التغيرات المسموح بها فيزيائيًا في حالة النظام من قيمة هذه الخاصية. لا يُمثل مسار الحالة مسارًا في الفضاء الفيزيائي، بل في فضاء حالة متعدد الأبعاد: تُقابل كل نقطة على طول المسار موقعًا أو سرعة مختلفة لجميع الجسيمات في النظام مجتمعة. لا يُعبّر هذا النموذج عن قوى أو مجالات الجسيمات الفردية. ^{[ 86 ] : 46} تعتمد النظريات الفيزيائية الحديثة على مبادئ الفعل هذه. ^{[ 88 ] : 396} يمكن اشتقاق معادلة أينشتاين للمجال للجاذبية من فعل أينشتاين-هيلبرت . ^{[ 88 ] : 388}

يجب أن تتوافق أي نظرية للجاذبية مع متطلبات النسبية الخاصة والملاحظات التجريبية. تفترض نظرية نيوتن للجاذبية التأثير عن بُعد، وبالتالي لا يمكن التوفيق بينها وبين النسبية الخاصة. أبسط تعميم لمنهج نيوتن هو نظرية المجال القياسي ، حيث يُمثَّل الجهد الجاذبي برقم واحد في فضاء-زمن رباعي الأبعاد. مع ذلك، يفشل هذا النوع من النظريات في التنبؤ بالانزياح الأحمر الجاذبي، أو انحراف الضوء بفعل المادة، كما يُعطي قيمًا غير صحيحة لترنح عطارد. تتنبأ نظرية المجال المتجهي بموجات جاذبية ذات طاقة سالبة، لذا فهي أيضًا غير متوافقة. علاوة على ذلك، لا يمكن لأي نظرية لا تتضمن انحناءً في الزمكان أن تتوافق مع النسبية الخاصة. أبسط نظرية تتوافق مع النسبية الخاصة والملاحظات المدروسة جيدًا هي النسبية العامة. ^{[ 93 ]}

على عكس معادلة نيوتن ذات المعامل الواحد، G ، فإن القوة في النسبية العامة تُعرَّف بدلالة عشرة أعداد تُشكِّل موترًا متريًا . ^{[ 30 ] : 70} في النسبية العامة، تُوصَف تأثيرات الجاذبية بطرق مختلفة في أطر مرجعية مختلفة. في نظام إحداثيات السقوط الحر أو الحركة المشتركة، يتحرك الجسم في خط مستقيم. في أنظمة إحداثيات أخرى، يتسارع الجسم، وبالتالي يُلاحَظ أنه يتحرك تحت تأثير قوة. يُسمَّى المسار في الزمكان (وليس الفضاء ثلاثي الأبعاد) الذي يسلكه جسم ساقط سقوطًا حرًا بالمسار الجيوديسي ، وطول هذا المسار، مُقاسًا بالزمن في إطار الجسم، هو الأقصر (أو نادرًا الأطول). بالتالي، يمكن وصف تأثير الجاذبية بأنه انحناء الزمكان. في مجال جاذبية ضعيف وثابت، تُختزل النسبية العامة إلى معادلات نيوتن. التصحيحات التي تُدخلها النسبية العامة على الأرض تُقدَّر بجزء واحد من المليار. ^{[ 30 ] : 77}

معادلات أينشتاين للمجال هي نظام من عشر معادلات تفاضلية جزئية تصف كيفية تأثير المادة على انحناء الزمكان. ويمكن التعبير عن هذا النظام بالشكل التالي: $${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu },}$$ حيث G _μν هو موتر أينشتاين ، و g _μν هو موتر القياس ، و T _μν هو موتر الإجهاد والطاقة ، و Λ هو الثابت الكوني .${\displaystyle G}$هو ثابت نيوتن للجاذبية و${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء . ^{[ 94 ]} الثابت${\displaystyle \kappa ={\frac {8\pi G}{c^{4}}}}$ويُشار إليه باسم ثابت الجاذبية لأينشتاين. ^{[ 95 ]}

تُعدّ معادلات أينشتاين غير الخطية من الرتبة الثانية بالغة التعقيد، ولم تُحلّ إلا في حالات خاصة قليلة. ^{[ 96 ]} مع ذلك، كان لهذه الحالات أثرٌ تحويليٌّ في فهمنا للكون. وتُشكّل العديد من الحلول أساسًا لفهم الثقوب السوداء ولنموذجنا الحديث لتطور الكون منذ الانفجار العظيم . ^{[ 42 ] : 227}

لطالما كان اختبار تنبؤات النسبية العامة صعبًا، نظرًا لتطابقها تقريبًا مع تنبؤات الجاذبية النيوتونية عند الطاقات والكتل الصغيرة. ^{[ 97 ]} وقد دعمت مجموعة واسعة من التجارب صحة النسبية العامة. ^{[ 92 ] : 1-9 [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]} واليوم، تُستخدم نظرية النسبية لأينشتاين في جميع حسابات الجاذبية التي تتطلب دقة مطلقة، على الرغم من أن قانون نيوتن للتربيع العكسي دقيق بما يكفي لجميع الحسابات العادية تقريبًا. ^{[ 92 ] : 79 [ 102 ]}

على الرغم من نجاح النسبية العامة في التنبؤ بتأثيرات الجاذبية على نطاقات واسعة، إلا أنها في نهاية المطاف غير متوافقة مع ميكانيكا الكم . ويعود ذلك إلى أن النسبية العامة تصف الجاذبية على أنها تشوه سلس ومستمر للزمكان، بينما ترى ميكانيكا الكم أن جميع القوى تنشأ من تبادل جسيمات منفصلة تُعرف باسم الكمات . ويُعد هذا التناقض محيرًا بشكل خاص للفيزيائيين، لأن القوى الأساسية الثلاث الأخرى (القوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والكهرومغناطيسية) قد تم التوفيق بينها وبين إطار الكم منذ عقود. ^{[ 103 ]} ونتيجة لذلك، بدأ الباحثون في البحث عن نظرية يمكنها توحيد كل من الجاذبية وميكانيكا الكم ضمن إطار أكثر عمومية. ^{[ 104 ]}

يتمثل أحد المسارات في وصف الجاذبية في إطار نظرية الحقل الكمومي (QFT)، التي نجحت في وصف التفاعلات الأساسية الأخرى بدقة . تنشأ القوة الكهرومغناطيسية من تبادل الفوتونات الافتراضية ، بينما يصف QFT الجاذبية على أنها تبادل للجرافيتونات الافتراضية . ^{[ 105 ] [ 106 ]} يُعيد هذا الوصف إنتاج النسبية العامة في الحد الكلاسيكي . مع ذلك، يفشل هذا النهج عند المسافات القصيرة التي تُقارب طول بلانك ، ^{[ 107 ]} حيث يلزم وجود نظرية أكثر شمولًا للجاذبية الكمومية (أو نهج جديد لميكانيكا الكم).

لقد صمدت النسبية العامة أمام العديد من الاختبارات على نطاق واسع من مقاييس الكتلة والحجم. ^{[ 108 ] [ 109 ]} عند تطبيقها لتفسير الرصد الفلكي، تُدخل النماذج الكونية القائمة على النسبية العامة عنصرين إلى الكون، ^{[ 110 ]} المادة المظلمة ^{[ 111 ]} والطاقة المظلمة ، ^{[ 112 ]} التي لا تزال طبيعتها مشكلة غير محلولة في الفيزياء . وقد دفعت التنبؤات الناجحة العديدة وعالية الدقة للنموذج القياسي لعلم الكونيات علماء الفيزياء الفلكية إلى استنتاج أن النسبية العامة ستكون أساسًا للتقدم المستقبلي. ^{[ 113 ] [ 114 ]} ومع ذلك، فإن المادة المظلمة غير مدعومة بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، ولا تتطابق النماذج الفيزيائية للطاقة المظلمة مع البيانات الكونية، كما أن بعض الرصدات الكونية غير متسقة. ^{[ 114 ]} وقد أدت هذه المشكلات إلى دراسة نظريات بديلة للجاذبية. ^{[ 115 ]}