加速度和绝对空间_宇宙时间奥秘
狭义相对论还有另外一个较大的缺陷。它同样是与时间的作用有
关，出现在有加速度的情况下（加速度是物体的速度随着时间的变化）。
如我们已经反复说过的，由于牛顿力学中运动的相对性，绝对空间已经
失去意义。可是对于加速度来说，情况就不同了。加速度是由于某种力
例如引力所引起的，在牛顿理论中，加速度是绝对的。用另一种方式来
说，无论观测者的运动状态如何，加速度总是相同的。一个骑在马上的
物理学家，可以争辩说是马在运动，或者是脚下的大地在运动。但是当
他的坐骑急停，而把他从马鞍上摔下来，对这个过程他就没有异议了，
因为无论从哪个参考系来看，例如从马、地面或行驶中的火车中看来，
力和作为其结果的加速度都是一样的。但是对于本身就在加速运动的观
测者，他们的看法与以不变速度运动的观测者是不同的。因此存在有地
位特殊的参考系，即使认为地球向着物理学家加速，与认为物理学家向
着地球加速是同样地可行。狭义相对论也只是对作匀速相对运动的观测
者成立，因此也有这个问题。狭义相对论本身并没有给出任何解释，为
什么必须赋予这些观测者以特殊的地位。他们只是直截了当地被放进基
本假设里了。
爱因斯坦当时很清楚，引力破坏了他直觉上很吸引人的准则：物理定律应当与观测者的运动状态无关。换句话说，在狭义相对论对宇宙的描述中，把一个观测者的看法转换成另一个观测者的看法的数学操作— —洛伦兹变换——不能用到引力上面。这问题的根源在于，与狭义相对
论所暗指的相反，加速度是相对的而不是绝对的。可以用一个例子来说明这一点，同时也说明为什么包含有加速度的理论描述了引力。设想置于发射台上的空间飞船里有一位宇航员，他有一只通常洗澡间用的磅秤。如果他站在这磅秤上，磅秤将显示出他的体重。当起飞按钮按下，飞船加速飞出地球时，这位宇航员将感到自己重了许多，磅秤也显示他的体重大大增加了。假设发射失败，飞船骤然朝着地球掉下来。在这几秒钟内，这位倒楣的宇航员将在飞船里面自由飘浮，直到飞船撞上地面。在往下落的过程中，如果他把口袋里的钥匙掏出来，然后松开手，钥匙不会落到飞船的地板上。他也将会失重：在他的参考系里，是没有引力的。但是对于一个看着飞船往下掉的观测者说来，引力是再明显不过了。这样，加速度确实是相对的。爱因斯坦也受到过自由落体的启发——不过不是随飞船一起的宇航员，而是一个从屋顶上掉下来的人，这事发生在柏林。这个人侥幸没有摔伤，事后他告诉爱因斯坦，他没有感觉到引力的作用。
总之，爱因斯坦对于狭义相对论的局限性是很清醒的，并且从美学的基点出发，希望物理学彻底摆脱仍在苟延的特殊参考系。他开始着手他的广义相对论，去解决这更困难的问题，即给出物理学更概括的系统描述，这种描述对所有的观测者都适用，不论他们的相对运动状态如何。难怪，只有用比狭义相对论复杂得多的时间和空间关系，才能得到这种描述。确实，广义相对论的推导需要应用陌生的数学工具——张量计算。爱因斯坦为此费了多年心血，直到 1915 年才完成他的论文准备发表。正如他在这期间所说：“每走一步都是极其困难的。”
当广义相对论最后完成的时候，这个理论同时给出了一个漂亮的而且相当完美的引力理论。如果我们重新再考察飞船里的宇航员，就可以知道，为什么他不能说出他经受的是引力还是加速度。当飞船在空间中加速的时候，他也不能确定，他的磅秤显示的是引力的作用还是他自己的惯性——物体反抗运动变化的一种性质。爱因斯坦认识到了这一点，这使他在 1907 年提出了一条新的基本原理——“等效原理”，他强调说，这条原理适用于整个物理学。实际上这条原理断言，引力和加速度是等效的。
等效原理至少有两种说法。其一，即“弱”等效原理，可以回溯到伽里略和他的比萨斜塔实验，这个实验在传奇文学中被描写得很生动。伽里略发现，所有物体都以同样的加速度朝地球下落（在忽略空气阻力的情况下）。等效原理表明，用相对论的观点，我们也可以说是地球在加速向上而物体保持静止，这样，显然所有的物体的加速度就必须保持相同了。这一直颇为神秘的难题，直到 1914 年爱因斯坦发表了他的论文，才被解释清楚。这篇论文说明，一个均匀的引力场完全等效于一个适当的加速度，对在任何实验室进行的实验，结果都是如此。等效原理还说
明，狭义相对论是一个纯粹局部的理论：没有一个实际的观测者不在经受加速度，因为我们的宇宙是被引力统治着，宇宙物质以恒星、行星等形式散布在整个宇宙里面。等效原理的第二种说法，即“强”等效原理，是爱因斯坦主张的，它认为所有的物理规律，对于宇宙中任何地方、任何时刻的所有观测者都是相同的，不管运动的情况和引力如何。对爱因斯坦来说，这个原理使他能够离开狭义相对论，而进入一个关于宇宙的理论，这一理论必须超越基于狭义相对论的局部描述。
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