从17世纪的牛顿到20世纪的爱因斯坦，在物理学发展的200多年时间，物理学家对引力质量与惯性质量相等的事实没有进行深入研究，直至狭义相对论的发表。爱因斯坦为了“整合”或统一经典引力和狭义相对论，协调两种理论体系的差异，比如：经典的引力作用是即刻的，引力传播可以超过光速，而狭义相对论指示了任何物体的运动以光速为限。爱因斯坦着手建立相对论框架下的引力理论。广义相对论的出发点、或它的思想萌芽与伽利略首先发现的惯性力与引力之间的“等效原理”有关，伽利略在著名的“比萨斜塔实验”、或自由落体运动的实验中发现：不同质量的物体同时落地，在物理学史上第一次否定了重物先落地、轻物后落地的亚里斯多德定论，真空中的重力加速度与物体的质量无关，或者说在同一个引力场中，所有物体的重力加速度相同，从自由落体运动的规律中，我们可以推断出引力质量等于惯性质量的结论，爱因斯坦对此说过，“引力场中一切物体都具有同一的加速度，这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等，它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇，并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙。”为了简单地说明他发现这一原理的灵感，爱因斯坦设想了一种让人体作自由落体运动的“空想实验”，比如：一个跳出机舱的跳伞运动员感觉失去了重量，这可以解释为加速下降的物体产生了惯性力，方向向上的惯性力抵消了身体的重力。
伽利略首先发现了“等效原理”，但是他没有把这一原理推广到相对论“公设”、或前提的一般叙述中，爱因斯坦将伽利略的“等效原理”推广为广义相对论的“公理”、或前提，即：一切物理定律在均匀引力场和加速运动的参考系中保持不变，具体说来，在均匀引力场作用下的惯性系和在一个不受引力场作用、却以恒定加速度运动的非惯性系中，一切物理规律完全一致。物理学家将等效原理分为强等效原理和弱等效原理，弱等效原理指的是引力场与惯性力场的力学效应相等；强等效原理指的是引力场与惯性力场的一切物理效应相等。等效原理是通往爱因斯坦广义相对论的一个“指示碑”，物理学家采用多种方法，试图从实验上检验等效原理的有效性，比如：在密封舱内做任何物理实验，不管是力学的、电磁的，还是其它类型的实验，都不能判断该密封舱是属于引力场的惯性系，还是属于加速运动的非惯性系，或者说密封舱内的实验者不能区分引力或惯性力的参考系。爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》一书中指出，“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重量’。”我们知道，牛顿万有引力定律定义的是引力质量，牛顿第二定律定义的则是惯性质量，存在引力质量和惯性质量这两种概念，“等效原理”提出了引力和惯性质量对任何物体而言都严格相等，很难从理论上证明它们之间的等同性，目前的物理实验可以证明：在误差允许的范围内，它们是近似相等的。
爱因斯坦给出的两种假想实验形象而生动地解释了等效性原理，可以将这两种假想实验理解为“等效性解释”。第一个假想的实验：假设在一个密封的太空船内有一个宇航员和一个铅球，该宇航员在太空船内拿起一块铅球，他既能感到铅球的重量，也能感到自身的重量，宇航员认为有两种可能的解释，一是太空船在太空中正在加速向上运动，附近没有任何星球或重力场，他感到铅球及自身有下坠的倾向，这是惯性力作用的结果；二是太空船停靠在一颗行星上，行星的引力场使他感受到铅球和自身的重量。既然两种解释是等效的，那么加速向上运动的非惯性系和行星引力场的惯性系形成等效关系。第二个假想的实验：大厦内的电梯以加速度向下运动，封闭的电梯内有一名乘客和一个铅球，如果电梯的高度足够大，电梯下降的加速度等于重力加速度，乘客可以观察到自己和铅球悬浮起来，形成“失重”现象。这名乘客认为有两个可能的解释，一是电梯在加速下降，他和铅球正跟着电梯下行；二是电梯可能位于太空的深处，那里的引力场强度为零，不能感受自己和铅球的重量。既然两种“失重”的解释是等效的，那么电梯加速下滑的非惯性系和太空零引力场的惯性系形成等效关系。爱因斯坦1911年意识到重力场和以适当加速度运动的参考系是等价的，1915年正式提出了等效原理。
作为广义相对论前提的等效原理分为弱等效原理和强等效原理，弱等效原理指的是重力场和以适当加速度运动的参考系是等价的，观测者不能在局部的区域内分辨出由加速度所产生的惯性力或由引力场所产生的引力，它可以从引力质量与惯性质量相等的关系式推演出来，伽利略最早注意到不同物体沿斜面的下滑运动是一样的，说明引力加速度与物体质量的大小无关。牛顿根据单摆周期的测量发现，周期只与摆长有关，而与摆锤的质量和材料组成无关。强等效原理是指在时空区域某一点的引力场可以用相应的局域惯性参考系去替代，而狭义相对论在其局域惯性参考系中完全成立。由于引力场本身与引力场源的距离有关，形成的引力场在时空中的分布并不均匀，不能用一个全域的加速参考系去描述，或者说不能用一个全域的加速参考系去抵消各时空点上的引力，但是，每一点的引力场有一个相应的引力场强度，可用一个局域的惯性参考系去描述，或者说用一个局域的加速参考系去抵消各相应的时空点上的引力。作为广义相对论核心前提的强等效原理拓展了弱等效原理的含义，在任何一个时空点上都可以选取一个替代的参考系，使一切物质的运动方程中不再含有引力项，引力可以局部地消除。简要说来，弱等效原理属于伽利略和牛顿的解释方式，而强等效原理属于爱因斯坦的解释方式，两种解释方式既有共同之点，也有不同之处，爱因斯坦在强等效原理中的描述中已经含有替代引力的思想，因此，他是所谓“修正引力”的始祖。
从以上的简要分析中可以看出，伽利略和牛顿首先给出了惯性质量等于引力质量的“等效原理”思想，爱因斯坦在这一思想的基础上进一步推演出狭义和广义相对性原理，没有伽利略和牛顿给出的“等效原理”，爱因斯坦不可能仅仅通过假想实验来得出狭义和广义相对性原理的结论。为什么说爱因斯坦的两大相对性原理继承和发展了伽利略和牛顿的“等效原理”思想昵？这是因为在伽利略和牛顿的惯性效应等于引力效应的原理中可以引申出力学规律在任何惯性系中形式相同的结论，或者说可以从伽利略坐标变换的数学表达式中证明这一原理。爱因斯坦发展了经典的“等效原理”思想，先是提出了狭义相对性原理：一切物理规律在任何惯性系中形式相同，后是提出了广义相对性原理：一切物理学规律在任何参考系中形式相同。由于参考系包括了惯性系和非惯性系，所以任何的、或者所有的参考系都是平权的、等价的，爱因斯坦为此消除了惯性系在力学中的特殊地位，我们知道，惯性系在伽利略和牛顿力学，在爱因斯坦的狭义相对论中具有一种“与生俱来”的“特权”。考虑到爱因斯坦对“等效原理”作出的特殊贡献，本作者建立将伽利略和牛顿范畴的“等效原理”理解为“弱等效原理”，定义为“狭义等效原理”，将狭义相对论范畴的“等效原理”理解为“中等效原理”，定义为“中义等效原理”，而将广义相对论范畴的“等效原理”理解为“强等效原理”，定义为“广义等效原理”。
可以在两种概念上划分“狭义等效原理”和“广义等效原理”，一种是将伽利略和牛顿的等效原理定义为“狭义等效原理”，而将爱因斯坦继承并创新的等效原理定义为“广义等效原理”。另一种是将爱因斯坦提出的“等效原理”进一步划分为“弱等效原理”、“或“狭义等效原理”和“强等效原理”、或“广义等效原理”。第一种划分是本作者给出的，第二种划分是目前的教科书给定的，爱因斯坦的等效原理指的是：均匀性引力场中的一个静止的参考系和一个非引力场的均加速参考系在物理属性上完全等效，这是所谓的“弱等效原理”，但是，由于自然物质分布的不均匀性，普遍存在的是非均匀引力场，如何将在均匀引力场中发生的等效原理引用到非均匀的引力场，爱因斯坦设想了“强等效原理”，在非均匀的引力场中找到局部的、“点状的”的均匀引力场，因此，可以将“强等效原理”表述为：对每一个可视为局部均匀的引力场而言，总可以找到一个加速运动的参考系，通过等效原理来消除该局域内的引力效应。爱因斯坦提出“弱等效原理”的目的有两个，一是将均匀引力场等效于加速运动的参考系；二是将非惯性系等效于惯性系，而提出“强等效原理”的目的只有一个，将等效原理从均匀的引力场延伸到非均匀引力场。通过强和弱等效原理的划分，我们可以将在引力场发生的等效原理定义为“狭义等效原理”，而将在非引力场中发生的等效原理定义为“广义等效原理”。无论是第一种概念的、还是第二种概念的等效原理，我们都可以清楚看到广义相对论真正应用的是“广义等效原理”。
本作者在之前的文章中提出了一个建议：将广义相对论依赖的两条广义相对性原理合并为一条原理，或一个“公设”、一个前提。现在，本作者为了迎接农历新年的到来，给广大网民送上新春的祝福，提出一个更有“远见卓识”的建议：将狭义和广义相对论的四个“公设”、或四个前提合并成两条原理、或者说两条“公设”、两个前提，即：光速不变原理和“广义等效原理”。同样，本作者不是广义相对论研究的专家，只是从物理和宇宙哲学的角度为广义相对论的学习和探讨贡献一份力量。理解光速不变性和“广义等效原理”是理解狭义和广义相对论的关键，本作者将“四个公设”的线索合并为“两个公设”的线索，既简化了公设的条目，又进一步概括了狭义和广义相对性原理的内容。一直以来，围绕着广义相对论正确与否的议题，不仅在专业的科学家之间，而且在非专业的科学爱好人士之间都发生了言辞激烈的争辩，那些认为光速不变性和“广义等效原理”完全正确的人士赞成广义相对论；而那些认为光速不变性和“广义等效原理”有这样和那样错误的人士则反对广义相对论。即使是一些反对广义相对论的科学家和科学爱好人士也不能不承认一个基本的事实：广义相对论的主要预言得到了多次实验和天文观测的检验。中国人心目中的农历新年即将到来，目前的各大网络和电视媒体越来越关注“顶级现象”，比如：阿里巴巴得到了电子商务的顶级地位，马云的各地演讲实录的确“打动人心”；万达坐在了商业地产的“头把交椅”、万科攀上住宅地产的第一高度、微信成为中国最活跃的社交媒体等，王健林、王石和马化腾等“商业大佬”发表了一个又一个的豪迈言论。与目前发达的商业文化相比较，虽然学习广义相对论不能给我们带来实实在在的经济利益，但是，如果我们当真要学习和爱好科学，那么广义相对论属于科学中的“顶级理论”，爱因斯坦给出的或深或浅的解释更能给我们带来震撼人心的感受。
2017-1-16
（Why should be divided “narrow equivalence principle”and “general equivalence principle”?）
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