自由落體、電梯與失重

下墜的電梯

愛因斯坦稱之為「我一生中最快樂的念頭」。設想你站在電梯裡，纜繩忽然斷了。在墜毀前的那幾秒，奇怪的事發生了：你、你的手機、你鬆手的那杯咖啡——一切都以完全相同的速率一同下落。相對於電梯，杯子就那樣懸在你身旁的空中。你感到失重。在那個密封的箱子裡，你做不出任何實驗，能分辨出自己是正朝地球墜落，還是在深空中安然漂流。

太空人究竟為什麼會漂浮

這裡有個值得破除的誤區。人們常說太空站上的太空人之所以漂浮，是因為他們「脫離了地球重力」。其實並非如此。太空站只在約 400 公里的高度繞行，那裡的地球重力仍有地面的約 90% 之強。太空人漂浮的原因，與纜繩斷裂電梯裡的人一模一樣：整座太空站及其中的每個人，都處於持續的自由落體之中。他們是在繞著地球墜落——側向運動得如此之快，以至於一直「錯過」地面。

  Newton's cannonball: fall + sideways speed = orbit

          .  -  -  -  .
       .'              '.        slow shot:
     /      ___           \      falls back to ground
    |     .'   '.    ()----+---->  faster shot:
    |    | EARTH |    \          curves down but the
    |     '.___.'      \         ground curves away too
     \                  \
       '.              .'  ----> just-right speed:
          '  -  -  -  '          it falls forever = ORBIT

   An orbiting astronaut is always falling, never landing.

自由落體才是自然的運動

請留意你真正感受到的東西。在下墜的電梯裡你什麼也感覺不到——沒有推、沒有拉、沒有重量。相反，當你站在地面上時，你每時每刻都能感到地板在向上頂著你的雙腳。愛因斯坦認真對待了這一點，並把慣常的說法顛倒了過來：自由落體才是那種放鬆的、不受力的、自然的運動狀態。真正需要一個力、也真正被你感受到的，是被*阻止*下落——被地板、被椅子、被回推的地面所阻止。

1. 站在地面上：地板向上頂你。你感到重量。你正被托住，*偏離*了你的自然路徑。
2. 從跳水板上躍下：有那麼一瞬間沒有任何東西推你。你感到失重——你又回到了自然路徑上。
3. 在太空站中繞行：始終沒有任何東西推你。你一漂就是幾個小時——無盡的自由落體，無盡的自然運動。

彎曲時空的第一縷暗示

現在，飛躍來了。在空蕩蕩的太空中，一個不受力的物體沿直線運動——走的是*最直的*路徑。我們剛剛斷定，自由落體的物體同樣不受力，是最自然的運動。那麼，拋出的球、月亮、墜落的蘋果，理應也都在描出*最直的*路徑。可它們在空間中的路徑明明是彎的。要同時保住這兩個想法，唯一的出路令人屏息：它們所穿行的那個時空本身是彎曲的，而它們不過是在其中沿著可走的最直路徑前行罷了。這條最直的路徑有個名字——測地線。