自由落体、电梯与失重

下坠的电梯

爱因斯坦称之为「我一生中最快乐的念头」。设想你站在电梯里，缆绳忽然断了。在坠毁前的那几秒，奇怪的事发生了：你、你的手机、你松手的那杯咖啡——一切都以完全相同的速率一同下落。相对于电梯，杯子就那样悬在你身旁的空中。你感到失重。在那个密封的箱子里，你做不出任何实验，能分辨出自己是正朝地球坠落，还是在深空中安然漂流。

宇航员究竟为什么会漂浮

这里有个值得破除的误区。人们常说空间站上的宇航员之所以漂浮，是因为他们「脱离了地球引力」。其实并非如此。空间站只在约 400 公里的高度绕行，那里的地球引力仍有地面的约 90% 之强。宇航员漂浮的原因，与缆绳断裂电梯里的人一模一样：整座空间站及其中的每个人，都处于持续的自由落体之中。他们是在绕着地球坠落——侧向运动得如此之快，以至于一直「错过」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.

轨道并非「不再坠落」——而是侧向坠落得太快，于是不断地与地面擦肩而过。

自由落体才是自然的运动

请留意你真正感受到的东西。在下坠的电梯里你什么也感觉不到——没有推、没有拉、没有重量。相反，当你站在地面上时，你每时每刻都能感到地板在向上顶着你的双脚。爱因斯坦认真对待了这一点，并把惯常的说法颠倒了过来：自由落体才是那种放松的、不受力的、自然的运动状态。真正需要一个力、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。

站在地面上：地板向上顶你。你感到重量。你正被托住，*偏离*了你的自然路径。
从跳水板上跃下：有那么一瞬间没有任何东西推你。你感到失重——你又回到了自然路径上。
在空间站中绕行：始终没有任何东西推你。你一漂就是几个小时——无尽的自由落体，无尽的自然运动。

弯曲时空的第一缕暗示

现在，飞跃来了。在空荡荡的太空中，一个不受力的物体沿直线运动——走的是*最直的*路径。我们刚刚断定，自由落体的物体同样不受力，是最自然的运动。那么，抛出的球、月亮、坠落的苹果，理应也都在描出*最直的*路径。可它们在空间中的路径明明是弯的。要同时保住这两个想法，唯一的出路令人屏息：它们所穿行的那个时空本身是弯曲的，而它们不过是在其中沿着可走的最直路径前行罢了。这条最直的路径有个名字——测地线。