爱因斯坦时代的实验条件无法使他亲眼目睹这一效果。但在今天的航天飞机或空间站中围绕地球飞行的宇航员们,都在身体力行地做着自由落体运动。尽管他们的运动方向平行于地球表面,但在地球引力的吸引下,他们时刻都在朝着地心自由下落。在推进航天飞机入轨的引擎提供的初始速度下,航天飞机或空间站得以在地球引力的作用下沿一条弯曲的轨道运行。虽然这个曲线轨道使航天飞机能保持距地球表面的高度,但它仍然在做自由落体运动。因此,我们从电视屏幕上看到的那些牙膏、水或太空服手套在航天飞机中漂浮的图像,正是爱因斯坦假想实验在现实生活中的体现。
对爱因斯坦来说,认识到一个自由下落的人无法分辨出她到底是由于引力下落,还是处在引力为零的地区,意味着这两种情况是完全等价的。如果没有办法区分你是在经历零引力还是在自由下落,那么这两个状态在物理上必须是等效的,且物理法则必须相同。爱因斯坦在1907年的重要突破,就是体会到引力正是连接两个相对加速或相对减速的参考系时的关键一环。他的第一个广义相对论公式的基础就是引力和(均匀)加速度的等效假设,这一假设被称为等效性原理。
等效性原理为爱因斯坦提供了一个他一直以来致力于寻找的理解引力的窗口。引力也许是一个谜,但加速度却是我们知道如何处理的东西。
既然这仍然是相对论理论,那么接下来的问题就是,加速度究竟是相对于哪个参考系而言的?换句话说,当一个苹果从树上落下时,在我看来是苹果向地面加速——但加速的究竟是我还是苹果?狭义相对论声明在宇宙中没有绝对的速度——也就是说没有办法定义一个绝对静止的人或物体,也不可能找到一个绝对的零速度。然而,挑选一个特别的加速度却是可能的。我们可以把一个在引力作用下自由下落的人(或者苹果、火箭、飞船、行星,等等)定义为具有零加速度。由于它们正在体验无外力的状态,因此自然就没有加速度。零加速度意味着它们既不加速也不减速,将以一个恒定的速度运动。这个状态恰恰是我们在狭义相对论中所讨论的情况。因此,所有的物理定律必须依然成立。
