jobbra|bélyegkép|Fekete lyuk gravitációs lencsehatása szimulált animáción
A gravitáció, más néven tömegvonzás a klasszikus fizika szerint egy kölcsönhatás, amely bármilyen két, tömeggel bíró test között fennáll, és a testek tömegközéppontjainak egymás felé ható erejét okozza. A gravitációs erő az az erő, amelyet az egyik test a másikra a gravitáció jelenségének megfelelően kifejt.
A tudomány mai állása szerint viszont a relativitáselmélet pontosabb, mely szerint nem feltétlenül két tömeggel rendelkező test között lép fel a gravitáció, hanem energia vagy impulzus (energia-impulzus tenzor) hatására a téridő meggörbül, így a szabadon mozgó test egyenes pályája külső szemlélőnek görbültnek tűnik.
Egy testre ható gravitációs erő az egyik – a Föld felszínén álló megfigyelő számára a legnagyobb – összetevője a test súlyának, a testre ható nehézségi erőnek. A Földhöz rögzített koordináta-rendszerben – amely nem inerciarendszer, hanem gyorsuló koordináta-rendszer – szemlélve a gravitációs erő mellett kisebb mértékben tehetetlenségi erők, a centrifugális erő, a Coriolis-erő és Föld nagyon kis mértékben változó szögsebességű forgása – szöggyorsulása – miatti Euler-erő is hozzájárul a nehézségi erőhöz.
Az általános relativitáselmélet ekvivalenciaelve szerint lokálisan megkülönböztethetetlen egymástól, hogy egy testre ható erő gravitáció vagy a koordináta-rendszer gyorsulása miatt lép-e fel.
Elméletek Newton A leeső test mozgásának okát elsőként Sir Isaac Newton azonosította egy erővel, amely a testre hat, és amelyet „univerzális gravitációs kölcsönhatás”-ként írt le Philosophiae Naturalis Principia Mathematica című könyvében. A később többek által kiegészített elmélet szerint két, tömeggel rendelkező test egymásra vonzerőt fejt ki, ez az erő a két test tömegközéppontját összekötő egyenesen helyezkedik el, és mindkét test tömegével arányos, ugyanakkor a testeket egymástól távolítva csökken. A gravitációs erő egyetlen feltétele és oka a testek tömege. Minden test, anyagi összetételétől, halmazállapotától, hőmérsékletétől függetlenül folyamatosan kifejti a tömegéből eredő vonzerőt. Az erő bármilyen távolságból hat, bár a távolsággal gyengül, és a gravitációs erő el nem téríthető és nem árnyékolható.
A gravitációs vonzerő nagysága a következő összefüggés szerint számítható ki:
ahol m1 és m2 a két test tömege, d a két test tömegközéppontja közti távolság, továbbá G a gravitációs állandó, amelynek ma elfogadott értéke (2018 CODATA):
Az összefüggés vektori alakban, azaz az (1)-es test az alábbi erővel vonzza a (2)-es testet, ha az (1)-ből a (2)-be mutató vektor:
Szigorúan véve ez a törvény csak pontszerű objektumokra vonatkozik. Ha a tárgynak térbeli kiterjedése van, az erőt integrálszámítással kell megadni. Kimutatható, hogy ha a tárgy gömbszimmetrikus tömegeloszlású, akkor az integrálszámítás ugyanazt az eredményt adja, mintha a test pontszerű lenne. A tárgytól távolodva a kiterjedt valódi és a pontszerű elméleti tömeg közötti elvi különbség egyébként is egyre kisebb jelentőségűvé válik.
A gravitációs erő két tömeggel rendelkező test között sosem nulla, és értéke nullánál kisebb sem lehet. Negatív gravitáció, vagyis két test közötti gravitációs taszítóerő, ún. antigravitáció a jelen ismereteink szerint nem létezik.
Megjegyzendő, hogy noha később más elvekre épülő, finomított pontosságú elméletek is születtek a gravitáció jelenségére, a newtoni törvények hétköznapi körülmények között (fénysebességnél sokkal lassabban mozgó testeknél és ha a gravitáció nem túl erős) ma is teljesen pontosan leírják a jelenség működését, vagyis jól használhatóak. Van viszont, amikre nem ad magyarázatot: a fény hajlása nagy tömegű objektumok mellett, a Merkúr pályájának kis eltérése, és hogy a gravitáció hatása valójában nem azonnal jelenik meg, hanem a fény sebességével terjed.
bélyegkép|323px|jobbra|Hasonló tömegű testeknél az egymás felé való elmozdulás már látható mértéket is öltene. A két test itt kezdetben egymáshoz képest áll, és a tömegvonzási erőn kívül más erő nem hat rájuk. Kattintson a képre.Nem szabad megfeledkezni arról, hogy ha két testet megfigyelünk, akkor nem csak az egyik vonzza a másikat, hanem ugyanakkora, de ellentétes irányú erővel a másik is az egyiket, ez Newton harmadik törvényéből, a kölcsönhatás törvényéből következik. Tehát ha a két test szabadon mozoghat, akkor nem csak az egyik test kezd gyorsulni a másik irányába, hanem mindkét test elindul egymás irányába, egymás felé gravitálnak. Newton második törvénye szerint ez a gyorsulás az adott test tömegével fordítottan arányos, de sosem nulla. Azaz ha elejtünk egy téglát, akkor a tégla a földi nehézségi gyorsulással megindul a Föld tömegközéppontja felé, de valójában a Föld is elindul a tégla felé, csak a tömegük különbözősége miatt megmérhetetlenül kis mértékben.
A gravitáció newtoni elméletének megoldatlan hiányosságai vannak. Elsősorban kérdés maradt, hogy a tömegvonzást miféle közeg közvetíti. Tehát ahogy az elektromos és mágneses vonzást részletesen leírt tulajdonságú erőterek továbbítják, nem tudjuk, milyen erőtér, milyen részecskék adják át a tömegvonzást a másik testnek. Az ehhez feltételezett elemi részecskét, a gravitont máig nem sikerült kísérletileg kimutatni, noha folynak ez irányban kutatások. A kísérleteket külön nehezíti, hogy mivel a gravitáció leárnyékolhatatlan, a Földön és egyáltalán égitestek közelében nagyon nehéz ezek zavaró hatásától független méréseket végezni.
Einstein Albert Einstein az 1916-ban megjelentetett második, általános relativitáselméletében a tömegvonzás jelenségére más elméleti leírást adott. Az elmélet szerint tömegvonzási erő nem létezik, így az azt közvetítő részecskét sem kell keresnünk. Ehelyett azt kell elképzelnünk, hogy nem csak egy test, de bármilyen energia- és impulzusforrás (beleértve például a kiterjedéssel és tömeggel nem rendelkező fotonokat) meghajlítja, elgörbíti maga körül a téridőt. A tér eme torzulása rajzon, maketten két dimenzióban úgy ábrázolható, hogy egy feszes gumilepedőre vagy gumihálóra rátesznek egy súlyos golyót. A golyó felé haladva az egyre meredekebbé váló felület érzékelteti a tér görbületének, és az ezzel ábrázolt gravitációnak az erősödését. Ha erre a felületre egy másik, kisebb golyót helyezünk, az a lejtős felület miatt a nagy golyó felé indul el, mintha az vonzaná magához.
bélyegkép|jobbra|Egy test (a fekete gömb) körül a tér úgy görbül, hogy a test felé lejt (szemléltető ábrázolás)
A modell matematikai eszközökkel is vizsgálható. Így kiderül, hogy a modell nincs ellentmondásban a newtoni elmélettel, hanem csak egy másik magyarázatot kínál a megfigyelt tömegvonzási jelenségekre. A testtől távolodva gyengülő gravitációs erőnek megfelel a torzult tér egyre kisebb „lejtése”. A hatalmas tömegű Nap körül a Föld pedig nem azért kering, mert a Nap egy erőt fejt ki rá valami nem tisztázott módon, hanem mert a Föld a Nap körül létrejött térbeli „gödör” lejtős oldalán szalad körbe, a sebességének köszönhetően mindig azonos magasságban maradva. A gödörmodell igazodik a Kepler-törvényekhez is, vagyis ha egy kisebb sebességű bolygót is elindítunk ebben a gödörben kisebb sugarú körpályán, akkor ez a bolygó gyorsabban fog keringeni, ahogy az a Naprendszer esetében is ismert.
Ne feledjük, hogy ez az előbb használt, gödörről és lejtőkről szóló modell csak egy kényszerűségből alkalmazott hasonlat, amely két dimenzióra egyszerűsítve mutat be a háromdimenziós tér torzulásai által okozott jelenségeket.
A modell értelmez egy másik, azóta megfigyelt, sőt ma már a csillagászok által a távoli világegyetem vizsgálatára gravitációs lencse formájában ki is használt jelenséget is. Tudjuk, hogy a fény mindig egyenes vonalban halad, a lehetséges legnagyobb sebességgel. Newton első törvénye szerint egy magára hagyott test egyenes vonalban, egyenletes sebességgel halad. Einstein az elméletéből azt a jóslatot vezette le, hogy nagy tömegű csillagok, galaxisok mellett elhaladva a fény az egyenes útvonalról letér, a pályája a nagy tömeg közelében valamennyire elhajlik. Annak ellenére hatni látszik rá a gravitációs erő, hogy a fénynek tulajdonképpen nincs is tömege. Newton elméletével ez így nem is lenne megmagyarázható, Einstein viszont ezt mondja: a fény részecskéi (a fotonok) nem egy erő hatására térülnek el egy nagy tömegű test gravitációjának hatására, hanem maga az egyenes vonal hajlik el a térrel együtt. Azaz a fény továbbra is egyenes vonalban mozog, csak ez az egyenes hajlik meg egy független külső megfigyelő számára. A test gravitációjának hatása alatt álló megfigyelő a fény útját továbbra is egyenesnek látja, mert az ő által érzékelt térben az a pálya valóban egybeesik az ő terének egy egyenes vonalával. A hipotetikusan előrejelzett jelenséget 1919-ben egy napfogyatkozás során angol csillagászok valóban megfigyelték, az előrejelzettel azonos mértékben, és így az elméletnek ezt a szakaszát kísérletileg igazolták is. Ez is mutatja, hogy Newton és Einstein modelljei között ha normál körülmények között nem is, kozmikus, extrém méretű jelenségekben már kimutatható eltérés. A nagy pontosságú megfigyelések Einstein elméletét igazolják.
A relativitáselméletben bemutatott gravitációmodell alapján gondolkodva tehát kijelenthetjük, hogy gravitációs erő valójában nincs is, csak a gravitáció jelensége létezik, „gravitációs hatásról” beszélhetünk, amelyet nem erőkkel, hanem a tér torzulásaival indokolhatunk.
A gravitációs hatás terjedési sebessége ebben a modellben is feltehető kérdés. Ha egy gondolatkísérletben egy tömeg hirtelen felbukkan a térben és azt meghajlítja maga körül, akkor ez a tértorzulás azonnal vagy valamilyen késéssel éri-e el a távol levő másik testet? Az azonnali terjedés végtelen sebességet feltételez, akkor pedig létezne a fénynél nagyobb sebességgel terjedő fizikai hatás, amit viszont a relativitáselmélet kizár. A véges terjedési sebesség következtében pedig egy, a térben haladó tömeg által okozott térgörbület hasonló módon terjed a test körül, mint ahogy egy előre haladó csónak kelti ék alakú orrhullámát a víz felszínén. Ezt az elvi megfontolást kiteljesítve előrejelezhető, hogy az aszimmetrikus gyorsuló (változó sebességű vagy irányú) mozgást végző testek hullámszerű zavart keltenek a térben. Ezek a hatások csak igazán nagy tömegek hatókörében lehetnek megfigyelhetőek, például összeomló vagy egymásba rohanó csillagok által létrehozva. Az így leírt, már Einstein által is tárgyalt gravitációs hullámokat kísérletileg először a LIGO Tudományos Együttműködésnek sikerült igazolnia, melyet 2016. február 11-én jelentettek be, igazolva ezzel Einstein legutolsó jóslatát. (A megfigyelés 2015. szeptember 14-én történt.) Más, közvetett módszerrel már 2003-ban sikerült bizonyítani, hogy a gravitációs hatás fénysebességgel terjed.Nature Magazin, John Whitfield: Speed of gravity and light equal http://www.nature.com/news/1998/030106/full/news030106-8.html
Kvantumgravitáció A relativitáselmélet jó működik nagy léptékben. Eszerint a téridő tetszőlegesen felosztható, folytonos geometriai objektum, amelyben a mezők és az anyag létezik, és ami görbül. Einstein rájött, hogy a téridő is egy mező, méghozzá a gravitációs mező megnyilvánulása. A kvantummechanikából pedig tudjuk, hogy a mezők kvantáltak és kvantumos szerkezetűek: nem oszthatók a végtelenségig, a valószínűségen alapulnak és kölcsönhatásokban nyilvánulnak meg.
Maguk területén mind a relativitáselmélet (makrovilág), mind a kvantummechanika (mikrovilág) pontos előrejelzéseket ad, viszont a két elmélet nem összeegyeztethető. A kvantummechanika nem teszi lehetővé a tér görbületét, a relativitáselmélet pedig nem veszi figyelembe a kvantumokat.
A két elmélet egyesítésére számos próbálkozás született, de ez a két legjelentősebb: