等效原理：广义相对论的开始
1905年，爱因斯坦完成了他的狭义相对论。1907年，他在写一篇论文总结他关于这一课题的最新研究时发现，自己已经在质疑这一理论是否适用于所有场合了。他注意到两处重要的疏忽：一处是，物理定律只在某些特定的惯性参照系里才是同样的，即以固定速度相对于彼此运动的参照系。
在狭义相对论里，这些惯性系占据了一个优势地位，该理论没有考虑任何正在加速的参照系。开车时，如果你踩了加速器，那么，你所处的参照系将不再是狭义相对论定律所适用的特定参照系。这就是狭义相对论的“狭义”之处：“狭义”的惯性系只是所有可能参照系的一小部分。对那些相信没有特定参照系的人来说，该理论只突出惯性参照系就成了一个大问题。
爱因斯坦的第二处疑虑是关于引力。虽然他指出了物体在某些场合是怎样回应引力的，但他起初并没有想出确定引力场的公式。在某些简单场合，引力场定律已被熟知，但爱因斯坦还不能够对所有可能的物质分布导出引力场。
1905 ～ 1915年间，经过一番艰苦卓绝的探索，爱因斯坦解答了这一问题，其结果便是广义相对论。
新的理论围绕着等效原理展开。等效原理指出，加速度的作用与引力的作用是不可区分的。所有物理定律在一个正在加速的观察者和一个处在引力场中静止的观察者看来都应该是相同的：引力场使所有在静止参照系内的物体加速，与原来的观察者的加速度相等，只不过方向相反。换句话说，你没有办法辨别你是正在稳定地加速还是静止地站在引力场中。根据等效原理，没有办法能够将这两种场合区分开来，观察者也永远无从知道自己是处于哪种场合。
等效原理源自惯性质量和引力质量的相等。原则上讲，这本应是两个互不相同的量。惯性质量决定一个物体如何对外力作出回应，即如果施以外力，物体会如何加速。惯性质量的作用在牛顿第二定律里也有总结：F=ma，即如果你对一个质量为m的物体施以作用力F，产生的加速度则为a。著名的牛顿第二定律告诉我们，同样的力如果施加在一个更大质量的物体上，则会产生更小的加速度。这在经验上是我们非常熟悉的：如果你以同样的力去推一个小板凳和一架钢琴，小板凳肯定被推出去更远，滑得更快。注意，这一定律适用于任何作用力，如电磁场力。在任何与地球引力无关的场合，它都是适用的。
而另一方面，引力质量是进入引力定律并决定引力强度的质量。正如我们所看到的，牛顿引力的强度与相互吸引的两个物体的质量成正比，这些质量即引力质量。引力质量与惯性质量同时进入牛顿第二定律，结果便成了同一回事，也因此，我们给了它们同样的名称：质量。但原则上讲，它们应是不同的，我们应称其中一个为“质量”，而另一个为“重量”。好在我们不必这么做。
两种质量相同这一神秘事实有着深刻的含义，它促使爱因斯坦去辨认、去开发。
引力定律指出引力强度与质量成正比；而牛顿定律又告诉我们用这种（或其他）力会产生多大的加速度。因为引力强度与质量成正比，而这质量还决定其加速度，那么这两个定律合在一起就告诉我们，即便根据公式F=ma，力要取决于质量，而由引力导致的加速度则完全可以不考虑正在加速的质量。
对于距一个物体同等远近的所有物体或人来说，它们所经受的引力加速度必然是一样的。这正是伽利略所证实的断言，从比萨斜塔上坠落的两个物体，证实了地球引力对所有物体产生的加速度都是相同的，与它们的质量无关。加速度的大小与被加速的物体质量无关，这一事实是引力所独有的特征，因为除引力外，所有其他力都要依赖于质量。因为引力定律和牛顿的运动定律以同样的方式依赖质量，所以计算加速度时，质量就被抵消了，因此，加速度也就与质量无关了。
这一推理相对比较简单，其含义却颇为深刻。因为在同样不变的引力场中，所有的物体都有着相同的加速度，如果这唯一的加速度能够被抵消，那么引力的证据也就被同时抵消了。一个自由落下的物体恰恰正是这样：它的加速度恰好抵消重力。
等效原理告诉我们，如果你和周围的物体一同自由落下，那么，你根本意识不到还有一个引力场，你的加速度会抵消引力场对静止时的你产生的重力加速度。从在轨道中运行的宇宙飞船图片里，我们已熟悉了这种失重状态。在宇宙飞船中，宇航员和他周围的物体都感受不到重力。
教科书里常常用一幅图片来说明没有引力的效果（从一个自由落体的观察者角度来看）。图片里画的是，一个人在一架自由落下的电梯里抛掷一个球，在图片中，你看到的是人和球同时下落，电梯里的人看见球总是在离电梯地面的相同高度，他看不到球的下落（如图5-2所示）。
在物理课本中所呈现的自由落下的电梯，好像是这世界上再自然不过的一件事：里面的观察者静静地看着并不下落的球，镇定自若，丝毫不担心自己的个人安危。而在电影里电梯缆绳若被割断，演员坠向地面，我们看到的则是一幅惊悚的场面，这可形成了鲜明的对比，为什么会有如此截然不同的反应？如果所有东西都在自由落下，原也没有什么可惊恐的：这情形就和所有东西都是静止的没有什么区别，只不过是在一个零引力的环境里。但是，如果像在电影里那样，一个人在自由落体，而下面的土地却仍是坚挺的，那他被吓呆便是理所当然的了。如果一个人在一个自由落下的电梯里，而下面等待这降落的是坚实的地面，那么，在他的自由落体终结时，他肯定会注意到引力的效果（如图5-2最后一幅所示）。
在一个自由落下的电梯里，观察者松开一只球，他看到的球并不下落。但是，当自由落下的电梯撞到静止的地面时，
里面的观察者可就不那么快乐了。
爱因斯坦的结论看上去是如此地令人惊讶和离奇，这是因为，我们生长在地球上，脚底下就是静静的大地，这让我们的直觉产生了谬误。当地球引力让我们静止于地面时，我们能注意到引力的作用，是因为我们不会沿着重力的方向被直接吸引到地球核心中去。在地球上，我们已习惯了这种使物体坠落的引力，但“坠落”真正的意思是“相对于我们的坠落”。如果我们与一只下落的球同时下落，就像我们在自由落下的电梯里那样，球将一点也不会比我们下降得更快，因此我们也就看不到它的下落。
在这自由落体的参照系里，所有的物理定律都会与你和周围的物体都静止时遵循的物理定律完全一致。自由落体的观察者观察到的运动，应以狭义相对论里的方程来描述，即对在惯性的、不加速的参照系里的观察者适用同样的方程。1907年，爱因斯坦在回顾相对论的一篇论文里解释了引力场的存在为何是相对的：“因为在一个从屋顶自由坠落的观察者来说，至少在其邻近的周围，是不存在引力场的。”这就是爱因斯坦的重要见解：
自由下落的观察者的运动方程也就是惯性系里观察者的运动方程，自由下落观察者感觉不到重力——只有那些非自由落下的物体才经受重力。
在日常生活中，我们通常并不会遇上自由下落的东西或人。当自由落体发生时，常常都是惊悚、危险的，但正如在参观爱尔兰的莫赫尔悬崖时，一个爱尔兰人对物理学家拉斐尔·布索（Raphael Bousso）所说的：“杀死你的并非下落，而是你下落终止时的碰撞!”有一次，我在攀岩中摔折了几根骨头，被迫缺席了我组织的一次会议。这时，就有好些人来取笑我，说我是在验证引力理论，而我可以信心十足地宣布，引力加速度与预言是完全一致的。
本书评论