科學是永無止境的，它是一個永恒之謎。——愛因斯坦

在深邃的虛空中，如果把一塊石頭扔進太空，它會一直保持勻速直線運動，這就是慣性，一種隻有外力（如引力）才能打破的狀态。但是慣性本身不是一種力，而是一個系統沒有任何靜力的狀态。

另一種說法是：在不需要任何外力的情況下，物體可以保持恒定的速度。否則，在保齡球比賽中，隻要投球手一松開保齡球，球就會立即停止，想讓球沿着球道移動并擊中球瓶，投球手就需要不斷地推動保齡球。但事實并非如此。正是當投球手移除了手給球施加的外力後，球才會沿着直線軌迹（除了自旋或摩擦的影響）勻速運動。

我們常見的靜止狀态其實是慣性的另一種形式。但是，靜止狀态是相對的。你坐在你家的門廊上，看着一個騎自行車的人以恒定的速度飛馳而過，她可以想象自己是靜止的，而你是在向後移動。隻有環境讓她意識到她才是那個移動的人，而不是坐在門廊上的你。

當我們進行物理實驗時，不希望某個系統受到外力的影響。這就是為什麼一個穩定的地方，比如一個穩定的房間，或者一個穩定的實驗室是理想的實驗場所。但實驗室的空間以恒定速度運動也是可以的，因為這種運動是相對的。我們稱任何相對于靜止狀态勻速運動的物體為慣性系。根據牛頓第一運動定律，慣性系沒有合力，因此處于平衡狀态。

現在你可能會想，靜止狀态的參考系在哪裡？因為地球在轉動，一個“固定”的實驗室并不是靜止的，而地球上所有的物體都在運動。為了簡單起見，我們稱它們為“靜止狀态”，但實際上它們受到了不平衡力的作用，導緻其随地球表面旋轉。那麼，我們用來定義慣性系的真正的靜止框架在哪裡呢?

牛頓也認識到了這個問題，所有的天體都在運動，那靜止的東西在哪裡？因此，他定義了一個被稱為“絕對空間”的假想框架來衡量慣性系。經典牛頓物理學對絕對空間的需求可以通過一個簡單的思想實驗來理解。現在想象一下，你坐在旋轉木馬上，看着風景從身邊經過。你對你的朋友大喊，你所在的遊樂園正在圍繞着你旋轉。你的朋友站在地面上大聲回答，其實是你在旋轉。那麼争論不下，那麼你怎樣解決這場争論呢？為了證明穩定的地面而不是旋轉木馬更合适作為慣性系的靜止參考系，我們就需要将它們與一個絕對靜止的度量進行匹配。牛頓将黃金标準視為絕對空間。

偉大的奧地利哲學家恩斯特·馬赫(Ernst Mach)曾經批評了牛頓的定義，認為它缺乏物理基礎，無法進行測量。他甯願相信某種來自恒星的未知影響導緻了慣性，而且應該有一個不依賴于參考系的慣性定義。

1907年，在提出狹義相對論兩年後，愛因斯坦開始起草萬有引力理論的雛形。狹義相對論認為信息以光速或更慢的速度傳播，這一概念就使得牛頓的引力是連接兩個質量“超遠距離瞬時作用”的概念變得不夠充分。如果太陽突然消失了，地球怎麼會立即“知道”太陽消失了，并立即開始沿直線運行呢？相反，愛因斯坦意識到，引力必須有一個局部的解釋，物理學家稱之為“場”，它的傳遞速度也是有限的。電磁力是由電磁場傳遞的，那麼，是什麼構成了引力場?

在思考引力本質的時候，愛因斯坦突然靈光乍現，後來他把這個發現稱為“最快樂的想法”。

假設一個工人在屋頂上失足掉了下來。當他自由落體時，他手中的一切東西（比如工具箱）都會跟着他一起下落。因此，在他來看，重力似乎不存在了。

一個自由下落的電梯可以作為一個微型實驗室。在其内部進行任何物理實驗，都不會受到外力的影響。因為電梯裡面的一切都将以同樣的速度下降（假設沒有空氣阻力），所以電梯看起來就像是靜止在一個空曠的空間裡。

一個人在遊樂園跳水，做自由落體運動。當他跳水的同時放開一個小球。他和球的加速度是匹配的，因此互相看起來都是靜止的，所以它們實際上是共享了一個靜止的參考系。

愛因斯坦認識到，他可以利用自由下落的電梯在局部重新定義慣性。每個電梯内部都将構成一個靜止的慣性框架。在空間中選取任意一點，慣性狀态将根據該位置的自由落體框架進行測量，而不是與假象的絕對空間進行比較。這樣，愛因斯坦覺得他離實現馬赫關于慣性更具體定義的夢想又近了一步。這個原來被稱為“等效原理”。

在自由下落的框架中，所有物體都以相同的速度加速，這一事實可以歸結為宇宙的巧合：引力質量和慣性質量總是具有相同的值。事實證明，它們并不是不同的東西，而是質量所扮演的不同角色。它們之間的恒等式産生了一種數學上的抵消，确保了加速度與物體質量無關。

例如：一顆撞向地球的小行星，它的引力質量決定了它感受到地球引力的強度。它的慣性質量決定了它在被導彈擊中後會在多大程度上改變運動狀态。

在我們的宇宙中，迄今為止的所有實驗都表明慣性質量和引力質量是相同的。這些實驗中最著名的是由匈牙利物理學家羅蘭·艾特沃斯在19世紀90年代到20世紀20年代期間使用一種叫做扭轉天平的設備進行的測量。典型的扭轉平衡實驗是将兩種不同質量的材料懸置在平衡木上，測量由于質量不平衡而産生的扭轉量。扭轉角度對慣性質量和引力質量值都非常敏感，實驗證明沒有一點點偏差。

2016年啟動的等效性原理的衛星試驗，法國科學家發射了一顆衛星——“顯微鏡”（Microscope），通過測量兩種不同組成和數量的質量加速度，更直接地檢驗等效原理。它将以大于10^-15的精度記錄引力和慣性質量之間的任何差異。研究人員表示，任何違反愛因斯坦等效原理的情況均将開啟新的物理學領域。

愛因斯坦将等效原理作為廣義相對論的核心概念，并于1915年底完成。廣義相對論依靠微分幾何，将每個自由下落的小塊的坐标系統縫合成一個連續的時空結構。這種方法的美妙之處在于，傳統的牛頓力學，經過狹義相對論的修正，可以應用于每一個局部的小塊空間，提供了一種逐點定義運動定律的方法。

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