引力质量和惯性质量是什么？它们为何相等？

科学是永无止境的，它是一个永恒之谜。——爱因斯坦

惯性系的定义需要一个绝对静止的坐标系作为参考？

在深邃的虚空中，如果把一块石头扔进太空，它会一直保持匀速直线运动，这就是惯性，一种只有外力（如引力）才能打破的状态。但是惯性本身不是一种力，而是一个系统没有任何静力的状态。

另一种说法是：在不需要任何外力的情况下，物体可以保持恒定的速度。否则，在保龄球比赛中，只要投球手一松开保龄球，球就会立即停止，想让球沿着球道移动并击中球瓶，投球手就需要不断地推动保龄球。但事实并非如此。正是当投球手移除了手给球施加的外力后，球才会沿着直线轨迹（除了自旋或摩擦的影响）匀速运动。

我们常见的静止状态其实是惯性的另一种形式。但是，静止状态是相对的。你坐在你家的门廊上，看着一个骑自行车的人以恒定的速度飞驰而过，她可以想象自己是静止的，而你是在向后移动。只有环境让她意识到她才是那个移动的人，而不是坐在门廊上的你。

当我们进行物理实验时，不希望某个系统受到外力的影响。这就是为什么一个稳定的地方，比如一个稳定的房间，或者一个稳定的实验室是理想的实验场所。但实验室的空间以恒定速度运动也是可以的，因为这种运动是相对的。我们称任何相对于静止状态匀速运动的物体为惯性系。根据牛顿第一运动定律，惯性系没有合力，因此处于平衡状态。

现在你可能会想，静止状态的参考系在哪里？因为地球在转动，一个“固定”的实验室并不是静止的，而地球上所有的物体都在运动。为了简单起见，我们称它们为“静止状态”，但实际上它们受到了不平衡力的作用，导致其随地球表面旋转。那么，我们用来定义惯性系的真正的静止框架在哪里呢？

牛顿也认识到了这个问题，所有的天体都在运动，那静止的东西在哪里？因此，他定义了一个被称为“绝对空间”的假想框架来衡量惯性系。经典牛顿物理学对绝对空间的需求可以通过一个简单的思想实验来理解。现在想象一下，你坐在旋转木马上，看着风景从身边经过。你对你的朋友大喊，你所在的游乐园正在围绕着你旋转。你的朋友站在地面上大声回答，其实是你在旋转。那么争论不下，那么你怎样解决这场争论呢？为了证明稳定的地面而不是旋转木马更合适作为惯性系的静止参考系，我们就需要将它们与一个绝对静止的度量进行匹配。牛顿将黄金标准视为绝对空间。

伟大的奥地利哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)曾经批评了牛顿的定义，认为它缺乏物理基础，无法进行测量。他宁愿相信某种来自恒星的未知影响导致了惯性，而且应该有一个不依赖于参考系的惯性定义。

爱因斯坦的等效原理

1907年，在提出狭义相对论两年后，爱因斯坦开始起草万有引力理论的雏形。狭义相对论认为信息以光速或更慢的速度传播，这一概念就使得牛顿的引力是连接两个质量“超远距离瞬时作用”的概念变得不够充分。如果太阳突然消失了，地球怎么会立即“知道”太阳消失了，并立即开始沿直线运行呢？相反，爱因斯坦意识到，引力必须有一个局部的解释，物理学家称之为“场”，它的传递速度也是有限的。电磁力是由电磁场传递的，那么，是什么构成了引力场？

在思考引力本质的时候，爱因斯坦突然灵光乍现，后来他把这个发现称为“最快乐的想法”。

假设一个工人在屋顶上失足掉了下来。当他自由落体时，他手中的一切东西（比如工具箱）都会跟着他一起下落。因此，在他来看，重力似乎不存在了。

一个自由下落的电梯可以作为一个微型实验室。在其内部进行任何物理实验，都不会受到外力的影响。因为电梯里面的一切都将以同样的速度下降（假设没有空气阻力），所以电梯看起来就像是静止在一个空旷的空间里。

一个人在游乐园跳水，做自由落体运动。当他跳水的同时放开一个小球。他和球的加速度是匹配的，因此互相看起来都是静止的，所以它们实际上是共享了一个静止的参考系。

爱因斯坦认识到，他可以利用自由下落的电梯在局部重新定义惯性。每个电梯内部都将构成一个静止的惯性框架。在空间中选取任意一点，惯性状态将根据该位置的自由落体框架进行测量，而不是与假象的绝对空间进行比较。这样，爱因斯坦觉得他离实现马赫关于惯性更具体定义的梦想又近了一步。这个原来被称为“等效原理”。

在自由下落的框架中，所有物体都以相同的速度加速，这一事实可以归结为宇宙的巧合：引力质量和惯性质量总是具有相同的值。事实证明，它们并不是不同的东西，而是质量所扮演的不同角色。它们之间的恒等式产生了一种数学上的抵消，确保了加速度与物体质量无关。

例如：一颗撞向地球的小行星，它的引力质量决定了它感受到地球引力的强度。它的惯性质量决定了它在被导弹击中后会在多大程度上改变运动状态。

在我们的宇宙中，迄今为止的所有实验都表明惯性质量和引力质量是相同的。这些实验中最著名的是由匈牙利物理学家罗兰·艾特沃斯在19世纪90年代到20世纪20年代期间使用一种叫做扭转天平的设备进行的测量。典型的扭转平衡实验是将两种不同质量的材料悬置在平衡木上，测量由于质量不平衡而产生的扭转量。扭转角度对惯性质量和引力质量值都非常敏感，实验证明没有一点点偏差。

2016年启动的等效性原理的卫星试验，法国科学家发射了一颗卫星——“显微镜”（Microscope），通过测量两种不同组成和数量的质量加速度，更直接地检验等效原理。它将以大于10^-15的精度记录引力和惯性质量之间的任何差异。研究人员表示，任何违反爱因斯坦等效原理的情况均将开启新的物理学领域。

爱因斯坦将等效原理作为广义相对论的核心概念，并于1915年底完成。广义相对论依靠微分几何，将每个自由下落的小块的坐标系统缝合成一个连续的时空结构。这种方法的美妙之处在于，传统的牛顿力学，经过狭义相对论的修正，可以应用于每一个局部的小块空间，提供了一种逐点定义运动定律的方法。