愛(ài)因斯坦時(shí)代的實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法使他親眼目睹這一效果。但在今天的航天飛機(jī)或空間站中圍繞地球飛行的宇航員們,都在身體力行地做著自由落體運(yùn)動(dòng)。盡管他們的運(yùn)動(dòng)方向平行于地球表面,但在地球引力的吸引下,他們時(shí)刻都在朝著地心自由下落。在推進(jìn)航天飛機(jī)入軌的引擎提供的初始速度下,航天飛機(jī)或空間站得以在地球引力的作用下沿一條彎曲的軌道運(yùn)行。雖然這個(gè)曲線軌道使航天飛機(jī)能保持距地球表面的高度,但它仍然在做自由落體運(yùn)動(dòng)。因此,我們從電視屏幕上看到的那些牙膏、水或太空服手套在航天飛機(jī)中漂浮的圖像,正是愛(ài)因斯坦假想實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中的體現(xiàn)。

對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō),認(rèn)識(shí)到一個(gè)自由下落的人無(wú)法分辨出她到底是由于引力下落,還是處在引力為零的地區(qū),意味著這兩種情況是完全等價(jià)的。如果沒(méi)有辦法區(qū)分你是在經(jīng)歷零引力還是在自由下落,那么這兩個(gè)狀態(tài)在物理上必須是等效的,且物理法則必須相同。愛(ài)因斯坦在1907年的重要突破,就是體會(huì)到引力正是連接兩個(gè)相對(duì)加速或相對(duì)減速的參考系時(shí)的關(guān)鍵一環(huán)。他的第一個(gè)廣義相對(duì)論公式的基礎(chǔ)就是引力和(均勻)加速度的等效假設(shè),這一假設(shè)被稱為等效性原理。

等效性原理為愛(ài)因斯坦提供了一個(gè)他一直以來(lái)致力于尋找的理解引力的窗口。引力也許是一個(gè)謎,但加速度卻是我們知道如何處理的東西。

既然這仍然是相對(duì)論理論,那么接下來(lái)的問(wèn)題就是,加速度究竟是相對(duì)于哪個(gè)參考系而言的?換句話說(shuō),當(dāng)一個(gè)蘋(píng)果從樹(shù)上落下時(shí),在我看來(lái)是蘋(píng)果向地面加速——但加速的究竟是我還是蘋(píng)果?狹義相對(duì)論聲明在宇宙中沒(méi)有絕對(duì)的速度——也就是說(shuō)沒(méi)有辦法定義一個(gè)絕對(duì)靜止的人或物體,也不可能找到一個(gè)絕對(duì)的零速度。然而,挑選一個(gè)特別的加速度卻是可能的。我們可以把一個(gè)在引力作用下自由下落的人(或者蘋(píng)果、火箭、飛船、行星,等等)定義為具有零加速度。由于它們正在體驗(yàn)無(wú)外力的狀態(tài),因此自然就沒(méi)有加速度。零加速度意味著它們既不加速也不減速,將以一個(gè)恒定的速度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)狀態(tài)恰恰是我們?cè)讵M義相對(duì)論中所討論的情況。因此,所有的物理定律必須依然成立。