Гравитацио́нное взаимоде́йствие элементарных частиц, наиболее слабое из всех известных фундаментальных взаимодействий, характеризуемое участием гравитационного поля (поля тяготения). По современным представлениям, любое взаимодействие частиц осуществляется путём обмена между ними виртуальными (или реальными) частицами – переносчиками взаимодействия. В электромагнитном, слабом и сильном взаимодействиях переносчиками являются фотон, промежуточные векторные бозоны и глюоны соответственно. Для гравитации вопрос о переносчиках не прост, и сама теория гравитационного взаимодействия занимает особое место в физической картине мира. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила взаимодействия двух точечных масс (размеры которых малы по сравнению с расстоянием $r$ между ними) $$F_g = G\frac{m_1m_2}{r^2} \tag1,$$ где $m_1$, $m_2$ – массы частиц, $G=6,67×10^{-11} м^3 /кг·с^2$ – гравитационная постоянная. Сила гравитационного взаимодействия двух протонов в $10^{36}$ раз меньше кулоновской силы электростатического взаимодействия между ними. Это соотношение не изменяется и при учёте релятивистских эффектов вплоть до расстояний, равных комптоновской длине волны протона. Величину $m$ можно назвать «гравитационным зарядом». При таком определении «заряда» формула (1) совпадает с законом Кулона для взаимодействия электрических зарядов. Гравитационный заряд пропорционален массе тела, поэтому, согласно второму закону Ньютона $(F = ma),$ ускорение $a,$ вызываемое силой (1), не зависит от массы ускоряемого тела. Этот факт, проверенный с большой точностью, называется принципом эквивалентности. В релятивистской теории гравитационное взаимодействие вследствие соотношения между массой и энергией $(E = mc^2 )$ гравитационный заряд пропорционален энергии, т. е. полной массе $m,$ а не массе покоя, как в формуле (1). Это обусловливает универсальность гравитационного взаимодействия. Нет такого вида материи, который имел бы нулевой гравитационный заряд. Именно это свойство гравитационного взаимодействия отличает его от других фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. Кроме того, при больших энергиях частиц гравитационное взаимодействие уже нельзя считать слабым. При энергии $>10^{18}$ ГэВ гравитационный заряд частицы $E/c^2$ становится равным её электрическому заряду $e$, и при очень высоких энергиях гравитационное взаимодействие может стать основным. Важнейшее свойство гравитационного поля состоит в том, что оно определяет геометрию пространства-времени, в котором движется материя. Геометрия мира не может быть задана изначально и изменяется при движении материи, создающей гравитационное поле (см. Тяготение). А. Эйнштейн сделал такой вывод из свойства универсальности гравитационного взаимодействия и построил релятивистскую теорию гравитации – общую теорию относительности (ОТО). Эксперименты подтверждают справедливость ОТО в случае слабых гравитационных полей (когда гравитационный потенциал по абсолютной величине много меньше $c^2$). Для сильных полей ОТО ещё не проверена, поэтому возможны и другие теории гравитационного взаимодействия. ОТО возникла как обобщение специальной теории относительности. Другие теории гравитации возникают как отражение успехов физики элементарных частиц – теоретической и экспериментальной. Например, теория гравитации Эйнштейна – Картана – Траутмана (т. н. гравитация с кручением; А. Эйнштейн, А. Картан, А. Траутман, 1922–1972) расширяет принцип эквивалентности в том смысле, что гравитационное поле в ней взаимодействует не только с энергией (тензором энергии-импульса) частиц, но и с их спином. В т. н. $f–g$ теории гравитации К. Дж. Айшема, А. Салама и Дж. Стразди (1973) предполагается существование двух гравитационных полей: носителями одного из них являются безмассовые частицы со спином 2 (обычная, «слабая» гравитация ОТО), это поле взаимодействует с лептонами; другое поле переносится массивными частицами (f-мезонами) со спином 2 («сильная» гравитация) и взаимодействует с адронами. Cкалярно-тензорная теория гравитации Бранса – Дикке – Йордана (К. Бранс, Р. Дикке, П. Йордан, 1959–1961) явилась развитием идеи П. Дирака об изменении со временем фундаментальных физических констант и констант взаимодействия. А. Д. Сахаров выдвинул (1967) идею о гравитации как индуцированном взаимодействии, по аналогии с силами Ван дер Ваальса, которые имеют электромагнитную природу. В этой теории гравитационное взаимодействие – не фундаментальное взаимодействие, а результат квантовых флуктуаций всех других полей. Успехи квантовой теории поля (КТП) сделали возможным вычисление индуцированной гравитационной постоянной $G$, которая в этом случае выражается через параметры этих квантовых полей. Теория тяготения – классическая теория, квантовая теория гравитации ещё не создана. Необходимость квантования вызвана тем, что элементарные частицы – объекты квантовой природы, и поэтому соединение классического взаимодействия и квантованных источников этого взаимодействия представляется непоследовательным. Создание квантовой теории гравитации наталкивается на большие математические трудности, возникающие вследствие нелинейности уравнений поля. Существует несколько методов квантования таких сложных математических объектов; эти методы развиваются и совершенствуются. Как и в квантовой электродинамике (КЭД), при вычислениях появляются расходимости, однако, в отличие от КЭД, квантовая теория гравитации оказывается неперенормируемой. Здесь имеется аналогия с теорией слабого взаимодействия, которая тоже, взятая отдельно, вне связи с другими взаимодействиями, неперенормируема. Но объединение слабого и электромагнитного взаимодействий (на основе идеи о т. н. спонтанном нарушении симметрии) позволило построить единую перенормируемую теорию электрослабого взаимодействия. В этой связи большие надежды возлагаются на супергравитацию – теорию, в которой объединены все взаимодействия на основе суперсимметрии и в которой, кроме гравитонов (безмассовых частиц со спином 2, бозонов), имеются и другие переносчики гравитационного взаимодействия – фермионы, получившие название гравитино. Интерес к созданию квантовой теории гравитации не является чисто академическим. Связь гравитационного взаимодействия со всеми видами материи и с пространственно-временны́м многообразием неизбежно приведёт в будущей квантовой теории к квантованию пространства-времени и к изменению наших взглядов не только на пространство и время на сверхмалых расстояниях и промежутках времени, но и на понятие «частицы», на процедуру измерений в микромире, а также к изменению структуры современной теории элементарных частиц. Некоторые контуры этих изменений уже просматриваются. Это прежде всего проблема расходимостей в КТП. Расходимость, например, собственной энергии электрически заряженной частицы появляется уже в классической электродинамике. Полная масса $M$ классической заряженной тонкой сферы, имеющей заряд $e$ и размер $r_0,$ равна $$M = M_0 + e^2 /2r_0c^2 , \tag2$$ где $M_0$ – затравочная масса. При $r_0 → 0$ масса $M$ становится бесконечной. Эта расходимость не устраняется и в квантовой теории, она становится только более слабой – логарифмической. Если учесть гравитационное взаимодействие и то, что оно зависит от полной массы $M,$ расходимость собственной энергии исчезает уже в классической теории. К вопросу о расходимостях можно подойти с другой стороны. Взаимодействие в КТП представляет собой обмен виртуальными частицами сколь угодно больших энергий. Поэтому при интегрировании по этим энергиям получаются расходящиеся выражения. В ОТО частицы не могут быть точечными. Их минимальный размер определяется гравитационным радиусом $r_g.$ Чем больше масса (энергия), тем больше гравитационный радиус: $r_g = 2GM/c^2.$ Если тело массы $M$ сжато до размеров, меньших $r_g,$ то оно превращается в чёрную дыру размером $r_g.$ В квантовой теории также есть предел локализации частицы – её комптоновская длина волны $l_C = ℏ/Mc,$ которая, очевидно, не может быть меньше гравитационного радиуса. Поэтому появляется надежда, что в теории, учитывающей гравитационное взаимодействие, промежуточные состояния со сколь угодно большими энергиями не возникнут и, следовательно, расходимости исчезнут. Максимальная масса (энергия) частиц соответствует равенству $l_С = r_g$ и равна $M_{Pl} = \sqrt{ℏc/G} ≈ 10^{–5} г.$ Эта величина называется планковской массой, и ей соответствует планковская длина $l_{Pl} = \sqrt{ℏG/c^3} ≈ 10^{–33} см.$ M. А. Марков предположил (1965), что могут существовать элементарные частицы массы $M_{Pl}$ и что эти частицы имеют максимально возможную для элементарной частицы массу. Он назвал эти частицы максимонами. Заряженные максимоны с массой $M = e/ \sqrt{G} ≈ 10^{–6} г$ Марков назвал фридмонами. Фридмоны и максимоны обладают рядом необычных свойств. Так, геометрия внутри этих частиц может существенно отличаться от геометрии снаружи, и можно представить такие фридмоны и максимоны, внутри которых находятся целые вселенные. Вполне возможно, что квантовые образования, подобные максимонам и фридмонам, определяли ранние этапы эволюции Вселенной и задавали начальный вакуум единого взаимодействия, которое при расширении Вселенной расчленилось, например посредством механизма спонтанного нарушения симметрии, на четыре взаимодействия, известные ныне. Направление развития физики элементарных частиц не исключает, а, скорее, предполагает такую возможность. Не только квантовая гравитация может оказать существенное влияние на теорию других взаимодействий, несомненно и обратное влияние. Исследования КТП в искривлённом пространстве-времени, исследования испарения чёрных дыр и рождения частиц в космологии показывают, что КТП приводит к видоизменению уравнений Эйнштейна. В современных объединённых теориях взаимодействия элементарных частиц плотность энергии вакуума может быть отлична от нуля и, следовательно, обладать собственным гравитационным полем. Доминантность этой плотности энергии ведёт к ускорению расширения современной Вселенной. Наконец, в моделях многомерной гравитации процессы негравитационных взаимодействий происходят на 4-мерной бране (подпространстве) в многомерном пространстве-времени. При энергиях, подводящих частицу к границе браны, может наблюдаться нарушение лоренц-инвариантности, а гравитационное взаимодействие перестаёт быть слабым. Всё это свидетельствует о том, что создание квантовой теории гравитации невозможно без учёта других фундаментальных взаимодействий и, наоборот, теория других взаимодействий не будет полна и свободна от внутренних противоречий без учёта гравитации. Достигнуть подобного объединения взаимодействий, возможно, удастся в рамках интенсивно развивающейся теории струн. Исследованию такого объединения способствуют методы космомикрофизики, изучающей фундаментальную взаимосвязь микро- и макромира в сочетании её физических, космологических и астрофизических проявлений.