研究物質間的一種相互作用──引力作用的理論。在今天人們所知道的物質的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強度比例順序是：強相互作用(1)，電磁相互作用(10-2)，弱相互作用(10-10)，引力相互作用(10-40)。因因此，在研究基本粒子的運動時，引力一般略去不計。但在天文學領域內，由於涉及的對象的質量極其巨大，引力就成為不僅支配著天體的運動，而且往往是天體的結構和演化的決定因素。
十七世紀以前，人們就猜測過天體之間存在著某種作用力。例如中國宋朝著名科學傢沈括在《夢溪筆談》中就曾提出過海潮是由月亮激發起來的正確觀點。歷史上第一個科學的引力理論是牛頓提出來的。牛頓萬有引力定律說:宇宙中任何兩個質點間存在著相互吸引力，力的方向沿著二者的連線，力的大小和二者質量的乘積成正比而和它們之間距離的平方成反比。在這基礎上發展起來的天體力學，不僅使人們可以精確地計算太陽系內天體的軌道，預言海王星的存在，實現航天飛行等，而且促進瞭人們對太陽系外的雙星、星團的運動和星系動力學、恒星的形成和演化的研究。這一系列的成就說明，牛頓引力理論是一個經受瞭長期實踐檢驗的相對真理。
1859年，勒威耶發現在水星近日點進動問題中，存在著牛頓理論無法說明的部分，1882年，紐康測定這部分差值為每百年43″，這是不容忽視的。有人推測這可能是由於所謂水內行星的吸引造成的；也有人試圖修改牛頓萬有引力定律中的平方反比規律，但都沒有成功。
1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，突破瞭絕對時間和絕對空間的觀念，否定瞭瞬時超距作用，從根本上動搖瞭建立在這些舊觀念基礎上的牛頓引力理論。經過約十年的探索，愛因斯坦於1915年提出瞭迄今為止最成功的近代引力理論──廣義相對論。
廣義相對論的基本出發點是：引力場中，在較小范圍內，所有自由下落的物體具有同樣的加速度。換句話說，任何物體的引力質量等於其慣性質量。這個從伽利略時代起就為人們熟知的事實，在十九世紀末由匈牙利物理學傢厄缶驗證到10-9的精度（六十年代以來，這個實驗的精度又提高到10-11和10-12）。愛因斯坦由此出發提出瞭均勻引力場和均勻加速參考系等效的原理（見等效原理），以及一切自然定律應在任意坐標變換下協變的原理（通常稱為廣義相對性原理）。
廣義相對論的基本內容是：三維空間和一維時間構成四維時空連續統；物理事件由四維時空連續統中的點表示；四維時空連續統的幾何性質由四維黎曼幾何描述。空間的度規張量和曲率則可以通過引力場方程，由物質的能量-動量張量決定。引力場方程可寫為：
式中Rμv為裡齊張量，R為標量曲率，gμv為度規張量，Tμv為物質的能量-動量張量，G是引力常數（見空間曲率、彎曲空間、度規）。
引力場中的自由粒子沿著四維時空連續統中的測地線運動。測地線的微分方程是：
式中
，τ為原時，
為聯絡。
廣義相對論克服瞭牛頓萬有引力定律所遇到的困難，完滿地說明水星近日點的進動問題；預言光線在引力場中會發生偏轉；強引力場中原子發出的光譜線和弱引力場中同種原子發出的同一光譜線相比，前者的光譜向紅端移動。這些效應都在不同程度上得到觀測和實驗的證實（見廣義相對論的天文驗證）。
從二十年代起，人們借助於廣義相對論把觀測所及的宇宙作為一個整體來研究，預言它正在膨脹。這個預言也因河外星系譜線紅移和微波背景輻射的發現而得到支持（見宇宙學）。六十年代以來，隨著類星體、脈沖星等一系列新天體的發現，廣義相對論已日益成為現代天體物理學的重要理論基礎（見相對論天體物理學）。
廣義相對論雖然取得瞭很大的成就，但也還存在一些問題。例如，已經證明，在某些相當一般的條件下，總會出現物理上難以接受的奇性以及量子化後不可重整的困難。因此，幾十年來，不斷有人提出其他的引力理論。這些理論大體可以分為兩類：一類是平直空間中滿足洛倫茲協變的引力理論，一類是彎曲空間中的度規型引力理論。經過多方面的檢驗，除瞭極個別的例外，所有這些理論都一個一個地被淘汰瞭。然而，以局部慣性系的存在為前提的引力規范理論卻引起瞭廣泛的註意。這種理論，就時空的幾何性質而言，不僅考慮瞭曲率，而且考慮瞭撓率；就物質的特性而言，不僅考慮瞭能量、動量，也考慮瞭自旋。它不僅和廣義相對論一樣，能經受住目前實驗和觀測的檢驗，而且有可能克服奇性和重整化困難。在這個方向上，最近出現的超引力理論已經展示瞭將四種基本相互作用統一起來的誘人前景。
參考書目
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溫伯格著，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學出版社，北京，1979。(S.Weinberg，Gravitation andCosmology，John Wiley and Sons，New York，1972.)
Y.B.Zeldovich and I.D.Novikov，RelativisticAstrophysicsVol.Ｉ，Univ.of Chicago Press，Chicago，1971.