愛(ài)因斯坦的第四假設(shè)是其第一假設(shè)的推廣。它可以這樣表述：自然法則在所有的系中都是相同的。不可否認(rèn)，宣稱所有系中的自然規(guī)律都是相同的比稱只有在伽利略系中自然規(guī)律相同聽(tīng)起來(lái)更“自然”。但是我們不知道(外部)是否存在一個(gè)伽利略系。這個(gè)原理被稱作“廣義相對(duì)論原理”。

愛(ài)因斯坦電梯

讓我們假想一個(gè)在摩天大樓內(nèi)部自由下落的電梯，里面有一個(gè)蠢人。這人讓他的表和手絹同時(shí)落下。會(huì)發(fā)生什么呢?對(duì)于一個(gè)電梯外以地球?yàn)閰⒄障档娜藖?lái)說(shuō)，表、手絹、人和電梯正以完全一致的速度下落。(讓我們復(fù)習(xí)一下：依據(jù)等同性原理，引力場(chǎng)中物體的運(yùn)動(dòng)不依賴于它的質(zhì)量。)所以表和地板，手絹和地板，人和表，人和手絹的距離固定不變。因此對(duì)于電梯里的人而言，表和手絹將呆在他剛才扔它們的地方。

如果這人給他的手表或他的手絹一個(gè)特定的速度，它們將以恒定的速度沿直線運(yùn)動(dòng)。電梯表現(xiàn)得像一個(gè)伽利略系。然而，這不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。遲早電梯都會(huì)撞碎，電梯外的觀察者將去參加一個(gè)意外事故的葬禮。

我們來(lái)做第二個(gè)理想化的試驗(yàn)：我們的電梯遠(yuǎn)離任何大質(zhì)量的物體。比如，正在宇宙深處。我們的大蠢蛋從上次事故中逃生。他在醫(yī)院呆了幾年后，決定重返電梯。突然一個(gè)生物開(kāi)始拖動(dòng)這個(gè)電梯。經(jīng)典力學(xué)告訴我們：恒力將產(chǎn)生恒定的加速度。(由于一個(gè)物體的質(zhì)量隨速度的增加而增大，所以為了產(chǎn)生恒定的加速度，所加的恒力也必須隨質(zhì)量的增大而增大。當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，物體的質(zhì)量將趨于無(wú)限大。)由此，電梯在伽利略系中將有一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)。

我們的天才傻瓜呆在電梯里讓他的手絹和手表下落。電梯外伽利略系中的人認(rèn)為手表和手絹會(huì)撞到地板上。這是由于地板因其加速度而向它們(手絹和手表)撞過(guò)來(lái)。事實(shí)上，電梯外的人將會(huì)發(fā)現(xiàn)表和地板以及手絹和地板間的距離以相同的速率在減小。另一方面，電梯里的人會(huì)注意到他的手表和手絹有相同的加速度，他會(huì)把這歸因于引力場(chǎng)。

這兩種解釋看起來(lái)似乎一樣：一邊是一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)，另一邊是一致的運(yùn)動(dòng)和引力場(chǎng)。

讓我們?cè)僮鲆粋€(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明引力場(chǎng)的存在。一束光通過(guò)窗戶射在對(duì)面的墻上。我們的兩位觀察者是這樣解釋的：

在電梯外的人告訴我們：光通過(guò)窗戶以恒定的速度(當(dāng)然了!)沿一條直線水平地射進(jìn)電梯，照在對(duì)面的墻上。但由于電梯正在向上運(yùn)動(dòng)，所以光線的照射點(diǎn)應(yīng)在此入射點(diǎn)稍下的位置上。

電梯里的人說(shuō)：我們處于引力場(chǎng)中。由于光沒(méi)有質(zhì)量，它不會(huì)受引力場(chǎng)的影響，它會(huì)恰好落在入射點(diǎn)正對(duì)的點(diǎn)上。

噢!問(wèn)題出現(xiàn)了。兩個(gè)觀察者的意見(jiàn)不一致。然而在電梯里的人犯了個(gè)錯(cuò)誤。他說(shuō)光沒(méi)有質(zhì)量，但光有能量，而能量有一個(gè)質(zhì)量(記住一焦耳能量的質(zhì)量是：M=E/C^2)因此光將有一個(gè)向地板彎曲的軌跡，正象外部的觀察者所說(shuō)的那樣。

由于能量的質(zhì)量極小(C^2=300，000，000×300，000，000)，這種現(xiàn)象只能在非常強(qiáng)的引力場(chǎng)附近被觀察到。這已經(jīng)被證實(shí)：由于太陽(yáng)的巨大質(zhì)量，光線在靠近太陽(yáng)時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。這個(gè)試驗(yàn)是愛(ài)因斯坦理論(廣義相對(duì)論)的首次實(shí)證。

結(jié)論

從所有這些實(shí)驗(yàn)中我們得出結(jié)論：通過(guò)引入一個(gè)引力場(chǎng)我們可以把一個(gè)加速系視為伽利略系。將其引伸，我們認(rèn)為它對(duì)所有的運(yùn)動(dòng)都適用，不論它們是旋轉(zhuǎn)的(向心力被解釋為引力場(chǎng))還是不均勻加速運(yùn)動(dòng)(對(duì)不滿足黎曼(Riemann)條件的引力場(chǎng)通過(guò)數(shù)學(xué)方法加以轉(zhuǎn)換)。你看，廣義相對(duì)論與實(shí)踐處處吻合。

上述例子取自“L'évolution des idées en Physique”愛(ài)因斯坦和Leopold Infeld著。