慣性質量與重力質量

質量扮演著兩個看似毫不相干的角色。慣性質量是一個物體抗拒被加速的頑固程度——用同樣的力去推一輛裝滿貨物的車和一輛空車，重的那輛加速得更慢。重力質量是一個物體對重力響應的強弱——重力把它拉得多用力，以及反過來它把別的東西拉得多用力。沒有任何顯而易見的理由說這兩個數應該相等：一個關乎不願移動，另一個關乎與重力的耦合。

然而在自然界中，它們以驚人的精度相等，而這種相等帶來一個美麗的後果：一切物體以相同的速率下落。較重的物體受到更強的重力拉扯，但它們抗拒加速的程度也恰好按同樣的比例更大，於是這兩個效應相互抵消，在真空中同時落下的一根羽毛和一柄錘子會同時著地——正如阿波羅 15 號太空人在沒有空氣的月球上著名地演示過的那樣。伽利略在幾個世紀以前就為此辯護過；這有時被稱為自由落體的普適性。

這種相等不是一個無足輕重的巧合——它是等效原理、乃至整個廣義相對論賴以建立的基礎。正因為每個物體對重力的響應與它抗拒加速的程度步調完全一致，一個自由下落的參考系才能一次性地為所有東西抹去重力，而這恰恰讓我們能把重力當作幾何、而非一種力來處理。實驗不斷以越來越銳利的精度檢驗它：扭秤實驗和太空任務 MICROSCOPE 已把這種相等確認到優於 10^15 分之一；任何微小的違背，都將是通往愛因斯坦之外新物理的線索。