一个人学会了狭义相对论，那么物理学领域的任何知识都难不住他，因为狭义相对论是物理学史上第一个反直觉的理论。
如果你理解了广义相对论，那么世界上可能就没有能够难住你的东西了。因为，广义相对论更加反常识。
那么，爱因斯坦是如何提出广义相对论的呢？在提出狭义相对论的时候，虽然爱因斯坦知道了迈克尔逊的实验，但是他的出发点并不是以太不存在。提出狭义相对论之后，爱因斯坦回忆，他在16岁的时候就设想过一个思想实验：假如人跟着光跑，会看到什么？当然，后来爱因斯坦发现，人是永远追不上光的，因为光在任何惯性参考系中的速度都一样。提出狭义相对论之后，爱因斯坦开始思考的问题是，既然狭义相对论假定了伽利略相对性原理，那么万有引力该怎么办？这是他发现广义相对论的开端。
可能大家会问，万有引力和伽利略相对性原理有什么关系？我们回忆一下伽利略相对性原理：任何惯性参考系都是等价的。也就是说，在任何惯性参考系中，所有的物理学定律都不变。狭义相对论解决了电磁理论问题，只要两个惯性参考系中的时间和空间按照洛仑兹变换来联系，那么麦克斯韦的电磁理论在两个惯性参考系中都成立。
可是，牛顿的万有引力定律看上去是个瞬时相互作用，意思就是，一个物体在一个时刻感受到另一个物体对它的万有引力，与两个物体在那个时刻的距离有关。很明显，这种定律在狭义相对论中不可能满足伽利略相对性原理。原因很简单，假如牛顿的万有引力在某个惯性参考系中是瞬时相互作用，那么它在另一个不同的惯性参考系中就不可能是瞬时相互作用，因为在这个新的参考系中，时间完全不同了，同时性变了。
这是1905年以后爱因斯坦面对的困境：如何修改牛顿万有引力定律，使得新的万有引力定律遵循伽利略相对性原理。
其实，与爱因斯坦一样，有几位物理学家也在思考这个问题，但他们根本没有找到正确的出路，因为他们总是在狭义相对论中打转。
也就是说，爱因斯坦后来发现的广义相对论，完全不同于狭义相对论。在广义相对论中，时间和空间弯曲了，而在狭义相对论中，虽然时间和空间密切相关，但它们没有弯曲。
时间和空间的弯曲是什么意思呢？这是一个很好的问题，我们留到下堂课来回答。现在，我们先看看爱因斯坦找到的通向广义相对论的正确入口。这个入口，就是等效原理。
我上大学时读居里夫人的女儿艾芙·居里写的《居里夫人传》，记得里面写到一个与爱因斯坦有关的故事。1907年，那时已经是著名物理学家的爱因斯坦与居里一家外出度假。他们一起登山，在登山的途中，爱因斯坦突然抓住居里夫人的手，说：“夫人，我想出来了！”居里夫人不解地看着他：“你想出来了什么？”爱因斯坦指着前面的悬崖说：“夫人，你想想，假如你从那里跳下去，会看到什么？”我不知道当时居里夫人是什么反应。要知道，那时她的丈夫皮埃尔·居里才去世一年。
其实，爱因斯坦说的从悬崖跳下去会看到什么，就是在讲等效原理。简单来说，如果你从悬崖跳下去，你就感受不到万有引力了。这就是在航天时代众所周知的失重现象。但这与著名的物理学原理有什么关系？
爱因斯坦说，假如你跳下去了，你失重了，感受不到万有引力了，那么你看到的物理学定律和狭义相对论里的物理学定律就完全一样。
接下来，更加关键的一点是，在自由下落的参考系中，狭义相对论是对的，在静止参考系里，有了万有引力，可是相对自由下落参考系，静止参考系是加速的。自由下落参考系里没有万有引力，而静止参考系里有万有引力。这是为什么？原来，万有引力是加速造成的。
这就是爱因斯坦在1907年登山过程中想到的等效原理——重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。
那么，如果等效原理成立，我们需要检验什么？我们再来看看爱因斯坦的思想实验：在自由下落的参考系里，我看到的现象就是狭义相对论中的现象。这就意味着，与我一起下落的人及任何其他物体，不是与我相对静止的，就是相对我来说以匀速运动的。
或者可以说，在静止参考系中，任何两个物体的加速度都是一样的。有人会说，这有什么稀奇的，伽利略不是早就指出这一点了吗？话是没错，但大家进一步想一想，根据牛顿万有引力定律，地球对一个物体产生的重力，与这个物体的引力质量成正比，同时，根据牛顿第二定律，一个物体的加速度与力成正比，与惯性质量成反比。现在，假如所有物体在重力中的加速度都是一样的，那就要求分母上的惯性质量和分子上的引力质量完全抵消。换句话说，对所有物体来说，引力质量要完全等于惯性质量。
重要的话需要重复一下：根据等效原理，引力质量要完全等于惯性质量。这个陈述是需要用实验来验证的。非常重要的是，在狭义相对论出现之后，惯性质量本身还有一个独立的定义，也就是说，惯性质量与物体蕴含的能量有关，这就是我们在第28课中讲的质能关系。
回到前文提到的伽利略。早在17世纪，伽利略已利用物体从斜面滚下不同的距离所需要的时间证明物体在地球上自由下落的加速度是一个常量。另外，伽利略还发现，单摆的周期只与摆长有关，而与摆锤的质量和材料无关。后来，牛顿做了两个等长且形状相同的单摆，其中一个的摆锤是用金做的，另一个的摆锤是用等重的银、铅、玻璃、沙等不同物料制成的。牛顿在多次实验中均未能观察到它们之间的周期差异。也就是说，不同的材料的引力质量都等于惯性质量。

单摆的周期仅与摆长有关，与摆锤的质量和材料无关色
1885—1909年，匈牙利物理学家厄缶用了20多年的时间精确地改进卡文迪许实验。在第5课中我们谈到，卡文迪许试图测量万有引力常数。他的测量方法特别聪明：将一个两端各放一个小球的直杆悬挂在一根石英丝上。如果这个直杆没有受到任何力的作用，石英丝就不会被扭转。然后，拿两个大球分别靠近两个小球，大球对小球产生了万有引力，石英丝就会扭转一个角度。通过石英丝的扭转角度，我们就能计算出万有引力的大小。
厄缶改进了扭秤的设计，使悬杆两端的两个重物不仅有水平距离，还有垂直距离。厄缶提高了扭秤的灵敏度，普及了扭秤在地球物理勘探方面的应用，证明了引力质量和惯性质量是相等的。当然，任何物理学实验都有精度问题，厄缶实验的精度是千万分之一，也就是说，在千万分之一这个精度内，引力质量等于惯性质量。这个精度准确到什么程度呢？就好比一个10吨重的物体，它的引力质量和惯性质量的差别小于1克。
1911年，爱因斯坦是知道厄缶实验的，因此他提出了等效原理。20世纪60年代，一些物理学家进一步改进了厄缶实验，将其精度提高到了千亿分之一，这是一个比厄缶本人的实验还要精确1万倍的实验。也就是说，一个10万吨的物体，它的引力质量和惯性质量的差别小于1克。
如今，引力质量等于惯性质量的实验已经发展到了两种不同的实验。一种是在卫星上做实验，因为卫星绕着地球转，它可以被看作是一个不断自由下落的参考系。在卫星上做的实验，精度已经到了一亿亿分之一。另一种是利用冷原子在真空中自由下落做实验，这种实验的精度已经到了五亿亿分之一。
最后，我们简单说一下厄缶。厄缶的父亲是一位诗人，官至匈牙利内阁，厄缶的母亲出身于贵族家庭。因为厄缶对物理学的重要贡献，厄缶的肖像第一次出现在了1932年匈牙利发行的邮票上，后来又在邮票上出现过两次。1950年，匈牙利的一个有着300多年历史的大学更名为厄缶大学，以纪念厄缶。厄缶本人虽然没有获得过诺贝尔奖，但厄缶大学出了5个获得诺贝尔奖的人。
爱因斯坦认为，万有引力和加速参考系是等价的，或者说，在重力场中自由下落的参考系里，我们看到的物理学定律和狭义相对论中的是一样的。这是爱因斯坦迈向正确的万有引力理论，也就是广义相对论的第一步。
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