Єва Кюрі, згадуючи про одну прогулянку в гори, що відбулася влітку 1913 р., у якій брали участь її мати Марія Кюрі й Альберт Ейнштейн, розповідає.
«Неуважний Ейнштейн крокує, не помічаючи дівчаток, через розколини, видирається на кручі. Раптом він зупиняється і, схопивши Марію за руку, вигукує: «Розумієте, мадам, мені необхідно достеменно знати, що відбувається з тими, хто перебуває в ліфті, коли він падає в порожнечу».
Невідомо, скільки тут правди і яка частка художнього вимислу. У всякому разі, вірно одне: Ейнштейн займався в ті роки питаннями, суть яких можна справді звести до питання про ліфт, що падає. Чим же ліфт, що вільно падає, відрізняється від ліфта, що стоїть на місці?
Уявімо собі такий дослід. Ми стоїмо в закритому ліфті. Раптом обривається трос, і ліфт починає вільно падати вниз. У той момент, коли ліфт починає падати, випустімо з рук книгу. Оскільки ліфт і книга падають на Землю з однаковим прискоренням (при вільному падінні прискорення всіх тіл однакове) і починають падіння одночасно, то до землі вони наближаються з однією й тією самою швидкістю. Положення книги відносно ліфта не змінюється, отже, ми маємо бачити книгу, що повисла в повітрі. Значить, у ліфті, що вільно падає, сила тяжіння має бути відсутня.
У фантастичних романах іноді розповідається про речовину, крізь яку гравітаційна сила не може діяти. Поміщені в ящик з такої речовини предмети втрачають вагу. Насправді, звичайно, силу тяжіння не можна усунути за допомогою екрана чи стіни з якогось матеріалу. Проте існує такий ящик, у якому сила тяжіння відсутня — це ліфт, що вільно падає (або взагалі будь-який ящик, що вільно падає). Хоча силу тяжіння не можна екранувати, але її можна просто усунути за допомогою прискореного руху. Про таке усунення писав уже Галілей. Герой його «Діалогу» Сальвіаті каже:
«Ми відчуваємо тягар на плечах, коли опираємося руху, до якого прагне тягар, що тисне, але якби ми опускалися з такою самою швидкістю, з якою переміщується вантаж, що вільно падає, то яким чином тягар міг би тиснути на нас? Хіба ви не бачите, що це подібно до того, ніби ми хотіли б уразити списом когось, хто біжить попереду нас з рівною або більшою швидкістю».
Це спостереження Галілея за своїм змістом узгоджується з міркуваннями Ейнштейна, які лягли в основу загальної теорії відносності. Але Ейнштейн не обмежився лише встановленням факту, що в ліфті, який вільно падає, сила тяжіння відсутня, а розвинув цю думку далі.
Уявімо, що в закритому приміщенні ми бачимо, як усі випущені тіла вільно падають до підлоги з однаковим прискоренням, рівним 10 м/с2. Як пояснити це явище? Можна сказати, що приміщення, де ми перебуваємо, є інерціальним (тобто воно рухається відносно інерціальних систем прямолінійно й рівномірно) і поміщене в гравітаційне поле, яке надає всім тілам однакове прискорення, рівне 10 м/с2. Проте цей факт можна пояснити й інакше: жодного гравітаційного поля немає, але приміщення саме рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 10 м/с2 у бік стелі. Падіння тіл на підлогу лише відображає рух приміщення в протилежному напрямку. Обидва ці пояснення цілком рівноправні.
Спостерігач в ізольованому приміщенні взагалі не може встановити, чи перебуває приміщення в гравітаційному полі, чи воно рухається прискорено відносно інерціальних систем. При цьому істотно лише, щоб приміщення мало такі невеликі розміри, за яких в усіх його точках напруженість гравітаційного поля була та сама. Крім того, спостереження треба проводити за такий короткий час, щоб сила тяжіння в приміщенні не могла істотно змінитися.
Усе сказане вище можна підсумувати в принципі, що має назву принципу еквівалентності.
У досить малій частині простору і протягом досить короткого проміжку часу опис процесу, що відбувається в гравітаційному полі, дає точно таку саму картину, як опис цього процесу в системі, що рухається з відповідним прискоренням відносно інерціальних систем. По суті, принцип еквівалентності стверджує, що вибором відповідної системи відліку можна змінити на свій розсуд гравітаційне поле в даній точці простору.
Розглянемо такий приклад. Нехай в одній інерціальній системі гравітаційне поле таке, що воно всім тілам надає прискорення 12 м/с2. Рух тіл під дією цього поля назвемо падінням донизу. В іншій системі відліку гравітаційне поле буде іншим. Наприклад, у системі, яка рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 12 м/с2 вниз, гравітаційне поле взагалі буде відсутнє. У системі, що рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 8 м/с2 вниз, гравітаційне поле буде в 3 рази слабшим, ніж в інерціальних системах, оскільки воно надає тілам прискорення 4 м/с2. Читачеві нескладно самому придумати системи, в яких гравітаційне поле мало б будь-яку величину. Прискорений рух відносно інерціальних систем дає змогу змінити величину сили тяжіння або навіть зовсім її знищити. Використовуючи прискорений рух, можна штучно створювати силу тяжіння.
«Неуважний Ейнштейн крокує, не помічаючи дівчаток, через розколини, видирається на кручі. Раптом він зупиняється і, схопивши Марію за руку, вигукує: «Розумієте, мадам, мені необхідно достеменно знати, що відбувається з тими, хто перебуває в ліфті, коли він падає в порожнечу».
Невідомо, скільки тут правди і яка частка художнього вимислу. У всякому разі, вірно одне: Ейнштейн займався в ті роки питаннями, суть яких можна справді звести до питання про ліфт, що падає. Чим же ліфт, що вільно падає, відрізняється від ліфта, що стоїть на місці?
Уявімо собі такий дослід. Ми стоїмо в закритому ліфті. Раптом обривається трос, і ліфт починає вільно падати вниз. У той момент, коли ліфт починає падати, випустімо з рук книгу. Оскільки ліфт і книга падають на Землю з однаковим прискоренням (при вільному падінні прискорення всіх тіл однакове) і починають падіння одночасно, то до землі вони наближаються з однією й тією самою швидкістю. Положення книги відносно ліфта не змінюється, отже, ми маємо бачити книгу, що повисла в повітрі. Значить, у ліфті, що вільно падає, сила тяжіння має бути відсутня.
У фантастичних романах іноді розповідається про речовину, крізь яку гравітаційна сила не може діяти. Поміщені в ящик з такої речовини предмети втрачають вагу. Насправді, звичайно, силу тяжіння не можна усунути за допомогою екрана чи стіни з якогось матеріалу. Проте існує такий ящик, у якому сила тяжіння відсутня — це ліфт, що вільно падає (або взагалі будь-який ящик, що вільно падає). Хоча силу тяжіння не можна екранувати, але її можна просто усунути за допомогою прискореного руху. Про таке усунення писав уже Галілей. Герой його «Діалогу» Сальвіаті каже:
«Ми відчуваємо тягар на плечах, коли опираємося руху, до якого прагне тягар, що тисне, але якби ми опускалися з такою самою швидкістю, з якою переміщується вантаж, що вільно падає, то яким чином тягар міг би тиснути на нас? Хіба ви не бачите, що це подібно до того, ніби ми хотіли б уразити списом когось, хто біжить попереду нас з рівною або більшою швидкістю».
Це спостереження Галілея за своїм змістом узгоджується з міркуваннями Ейнштейна, які лягли в основу загальної теорії відносності. Але Ейнштейн не обмежився лише встановленням факту, що в ліфті, який вільно падає, сила тяжіння відсутня, а розвинув цю думку далі.
Уявімо, що в закритому приміщенні ми бачимо, як усі випущені тіла вільно падають до підлоги з однаковим прискоренням, рівним 10 м/с2. Як пояснити це явище? Можна сказати, що приміщення, де ми перебуваємо, є інерціальним (тобто воно рухається відносно інерціальних систем прямолінійно й рівномірно) і поміщене в гравітаційне поле, яке надає всім тілам однакове прискорення, рівне 10 м/с2. Проте цей факт можна пояснити й інакше: жодного гравітаційного поля немає, але приміщення саме рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 10 м/с2 у бік стелі. Падіння тіл на підлогу лише відображає рух приміщення в протилежному напрямку. Обидва ці пояснення цілком рівноправні.
Спостерігач в ізольованому приміщенні взагалі не може встановити, чи перебуває приміщення в гравітаційному полі, чи воно рухається прискорено відносно інерціальних систем. При цьому істотно лише, щоб приміщення мало такі невеликі розміри, за яких в усіх його точках напруженість гравітаційного поля була та сама. Крім того, спостереження треба проводити за такий короткий час, щоб сила тяжіння в приміщенні не могла істотно змінитися.
Усе сказане вище можна підсумувати в принципі, що має назву принципу еквівалентності.
У досить малій частині простору і протягом досить короткого проміжку часу опис процесу, що відбувається в гравітаційному полі, дає точно таку саму картину, як опис цього процесу в системі, що рухається з відповідним прискоренням відносно інерціальних систем. По суті, принцип еквівалентності стверджує, що вибором відповідної системи відліку можна змінити на свій розсуд гравітаційне поле в даній точці простору.
Розглянемо такий приклад. Нехай в одній інерціальній системі гравітаційне поле таке, що воно всім тілам надає прискорення 12 м/с2. Рух тіл під дією цього поля назвемо падінням донизу. В іншій системі відліку гравітаційне поле буде іншим. Наприклад, у системі, яка рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 12 м/с2 вниз, гравітаційне поле взагалі буде відсутнє. У системі, що рухається відносно інерціальних систем з прискоренням 8 м/с2 вниз, гравітаційне поле буде в 3 рази слабшим, ніж в інерціальних системах, оскільки воно надає тілам прискорення 4 м/с2. Читачеві нескладно самому придумати системи, в яких гравітаційне поле мало б будь-яку величину. Прискорений рух відносно інерціальних систем дає змогу змінити величину сили тяжіння або навіть зовсім її знищити. Використовуючи прискорений рух, можна штучно створювати силу тяжіння.