¿Cómo funciona exactamente la gravedad?

Tienes toda la razón en que las otras fuerzas fundamentales de la Naturaleza poseen partículas mediadoras, por ejemplo, el fotón para la fuerza electromagnética. Para la gravedad, se ha postulado una partícula de gravitón , y está incluida en las cinco teorías de cuerdas estándar que son candidatas para la gravedad cuántica. Desde la perspectiva de la teoría cuántica de campos, el gravitón surge como una excitación del campo gravitacional. La teoría de cuerdas, por supuesto, postula que surge en el espectro de una cuerda cerrada.

La masa ciertamente da lugar a un campo gravitatorio, pero muchas otras cantidades también lo hacen, de acuerdo con las ecuaciones de campo de la relatividad general. Como eres un estudiante de secundaria, los presentaré como,

La geometría del espacio-tiempo y, por lo tanto, los efectos gravitatorios, se equiparan a la materia presente en un sistema, que puede incluir energía , presión y otras cantidades además de la masa.

Desde el punto de vista de la relatividad general, el campo gravitatorio puede verse, o interpretarse, como la curvatura del espacio-tiempo, que es una variedad, es decir, una superficie. Si consideramos que el espacio es infinitamente grande, entonces el campo gravitatorio debe extenderse indefinidamente; de lo contrario, ¿dónde elegiríamos truncar? Incluso desde una perspectiva newtoniana, vemos que dada la ecuación,

la gravedad debe extenderse infinitamente, ya que nunca alcanzamos el punto$r=\infty$donde es realmente cero.

Como preguntaste, si se postula el gravitón, ¿cuál es la necesidad de un campo? Bueno, sabemos que el número de partículas no se conserva ; podemos tener una producción virtual de pares de partículas y antipartículas y, como tal, la idea de que un campo se propaga por el espacio y las partículas son excitaciones del campo es un punto de vista más compatible. Además, surge el concepto de campo por razón de localidad . Por evidencia empírica sabemos que la gravitación y el electromagnetismo no actúan instantáneamente, en cada punto.

Dado que no comprende del todo la respuesta de JamalS, intentaré explicársela de forma más breve y sencilla.

Si todas las demás fuerzas de la naturaleza tienen algunas partículas asociadas, ¿por qué la gravedad debería ser una excepción?

No, no es una excepción. Los físicos creen que la partícula de la gravedad (llamada gravitón) existe, solo que aún no la han encontrado. El modelo estándar no tiene gravedad, pero el modelo estándar extendido puede tenerla. Gracias a la teoría de cuerdas.

¿Qué es exactamente el campo gravitacional y cómo se extiende sobre una distancia infinita y hace que opere la fuerza gravitacional?

Es exactamente el espacio y el tiempo. ¿Cómo aparecen el espacio y el tiempo? Big Bang. ¿Cómo opera la gravedad? Un cambio de espacio y tiempo te da una fuerza de gravitación. Como un cambio de posición te da velocidad ($v=\Delta x$), un cambio en la energía te da trabajo ($W=ΔKE$). Un cambio es muy importante, te dará otra entidad interesante. Si ha estudiado el diferencial, ahora sabe lo importante que es: describir un cambio .

Al referirme a un cambio de espacio y tiempo, no me refiero a que un automóvil recorre las ciudades de la mañana a la tarde. Me refiero a que el coche reforma la forma del tiempo y el espacio mismo.

De Wikipedia :

La materia cambia la geometría del espacio-tiempo, esta geometría (curva) se interpreta como gravedad.

No creo que las otras respuestas hayan dicho claramente que no sabemos . Sí, tenemos la (bastante maravillosa) teoría de la relatividad general (GR), que hace un excelente trabajo al explicar el efecto de la gravedad.

Lo hace relacionando la presencia de masa (estrictamente "energía de tensión") con la estructura del espacio-tiempo. También establece cómo ese efecto se propaga a través del espacio y el tiempo. Entonces, desde una perspectiva clásica, el espacio-tiempo en sí mismo puede verse como un campo gravitacional.

Lo que no dice es cómo el espacio-tiempo es capaz de interactuar con la masa.

Esperamos que esté involucrado un proceso del tipo de la teoría cuántica de campos, y se necesita mucho trabajo para determinarlo. Relacionar GR y la teoría cuántica es, de hecho, el problema fundamental de la física teórica.

Uno de los problemas clave para resolver esto es, de hecho, el éxito mismo de GR: carecemos de evidencia experimental de su falla y, por lo tanto, de proporcionar una pista sobre dónde mejorarlo a través de efectos cuánticos.

La gravedad tiene una descripción clásica llamada teoría general de la relatividad (GTR), y describe adecuadamente la "fuerza" de la gravedad como consecuencia de la geometría del espacio-tiempo.

Sin embargo, un espacio curvo alrededor del cuerpo gravitacional es una descripción aproximada de una teoría cuántica de la gravedad más precisa que eventualmente reemplazará a GTR, ya que se puede aplicar a sistemas micro o macroscópicos. GTR reemplazó el paradigma newtoniano, pero la descripción de la gravedad como una "pseudofuerza" lo lleva un paso atrás. Nadie dirá jamás que un paracaidista murió porque su paracaídas no se desplegó en ese espacio curvo.

De hecho, la vista de alguien que cae del cielo es un camino recto y, de nuevo, no explica ni siquiera la constante gravitatoria de Newton . Las curvas tardan más en atravesarse que las líneas rectas y la luz que se refleja gravitacionalmente lo demuestra. Tengo mucho más que decir sobre este tema, pero me limitaré a los medios convencionales.

La teoría de la gravedad como campo muestra que las partículas se mueven debido a la curvatura del espacio-tiempo; el campo aquí es el propio espacio-tiempo.

El electromagnetismo es una teoría de campo y la luz son solo ondas en el campo EM que es contiguo al espacio que lo soporta.

Las dos anteriores son descripciones clásicas .

QM, y luego QFT mostraron que debemos cuantificar campos. Así es como se muestran los cuantos de campo; luego tenemos el fotón como cuanto de campo del campo EM, y también el gravitón como cuanto de campo esencialmente del espacio-tiempo.

Mientras que el fotón tiene apoyo experimental - el efecto fotoeléctrico y teórico - QED; No se puede decir lo mismo del gravitón.

El gravitón aparece en el espectro de partículas para la teoría de cuerdas, que es una de las razones por las que se persigue esa teoría.

Mi teoría es que la gravedad es el resultado de la cancelación incompleta de las fuerzas electromagnéticas del átomo, debido a que existe una separación espacial entre las cargas. Si esto es correcto, entonces el gravitón tendría propiedades "similares" a las de un fotón, pero muy débil ($Eg = Ep \times 10 ^{-39}$), razón por la cual no se ha encontrado.