在科学史上总有一些瞬间，天才的思想者会提出极为大胆的洞见，让回顾历史的旁观者目瞪口呆。1907年的11月的某一天正是这样的一个时间点，这一次的主角是著名的物理学家爱因斯坦。对于爱因斯坦来说，这原本只是稀松平常的一天。彼时爱因斯坦还在伯尔尼的专利局工作，已经被晋升为“二等技术专家”，他后来回忆道：“当时我坐在伯尔尼专利局的椅子上，突然想到：当一个人自由地下落时，他感觉不到自己的重量。
”现在我们已经对各种电影和照片中零重力环境下宇航员的状态习以为常了，因此可能很难理解爱因斯坦在当时做出的这一判断具有怎样的意义。但这个看似简单的想法，其实蕴含着解开牛顿万有引力之谜的种子。爱因斯坦的狭义相对论无法处理与加速度和引力相关的问题，但爱因斯坦意识到这实际上是同一个问题，而不是两个。为什么呢？想象你在纽约帝国大厦的顶层走进了电梯，按下了去底层的按钮。
但是你不知道的是，这个电梯实际上是一个由外星文明建造的星际运输舱。在不知情的情况下，你被瞬间传送到遥远的外太空中，附近没有任何恒星或是行星，自然也就没有重力。你在失重的状态下无助地从电梯的地板上飘浮起来。现在你的脑海里会想些什么？你并不知道自己现在已经身处外太空，在你的意识里，你仍然站在帝国大厦下降的电梯里。
但是你从失重的感觉中猜测，可能是发生了什么事故，切断了电梯的升降索，而你处于自由落体的状态。正在对你进行观察的外星智慧生物并不想让你过度惊慌，于是使用了一个看不见的力场，让这个电梯（太空舱）缓慢地向上加速，于是电梯中的你又重新落回到地板上。这下感觉好多了，你可能会以为电梯的安全制动系统已经启动了，并且让电梯停了下来。为什么会这么想呢？因为你再一次感受到了重力。
爱因斯坦称之为“等效原理”：在局部区域，引力和加速度带给人的感受是一样的，它们实际上是一回事。爱因斯坦认为这是他“最幸福的想法”。但这意味着什么呢？起初爱因斯坦并不能完全确定。他又花了5年的时间才终于弄明白，等效原理意味着引力和几何之间的一种极为特殊的联系。虽然我们平常感知到的时空好像是平直、刚性的，但时空的几何形状会出现弯曲和凹陷。
我们在几何课上曾经学过，三角形的内角和是180°，一个圆的周长是π乘以直径，两条平行线永远不会相交。这些都是怎么来的呢？这些定律（以及许多其他定律）都描述了数学家们所称的“平直空间”，或称“欧几里得空间”，该空间以著名几何学家亚历山大的欧几里得命名。这就是我们在日常生活中所熟知的三维空间，我们常常用x、y、z这三条坐标轴描述它。
闵可夫斯基提出，我们可以在三维空间的基础上加上第4个维度——时间，在欧几里得空间中加上第4个维度时间之后，我们就得到了一个平直的四维时空。在平直的时空中，两点之间最短的距离显然就是这两点间的直线段。那你知道英国的伦敦到澳大利亚的悉尼之间最短的距离是多长吗？我们可以在网上查到答案：10553英里。
但这其实并不是一条直线，因为地球的表面是弯曲的，在这样的表面上两点之间最短的距离是一条弯曲的路径，我们称之为大圆弧或是测地线。我们在乘坐飞机进行长途飞行的时候走的就是这种路径。如果在地球的表面画一个三角形（比如在雷克雅未克、新加坡和旧金山这三个城市两两之间画一条线），你会发现它的内角和超过180°（参见下图）。如果在地球的表面画一个圆，那么它的周长也不再是π乘以直径。
经线在赤道上是平行的，但是它们又会在地球的两极相交。牛顿第一定律称，除非受到外力的作用，否则物体将会保持匀速直线运动或是静止状态。在平直时空中，所有的直线都是“直”的，牛顿所说的引力也会在一定的距离之外瞬间作用在物体上。但是，现在爱因斯坦意识到，如果时空也会像地球表面的大圆弧那样弯曲的话，那么在附近运动的物体就会朝弯曲处“下落”，并且在下落的过程中加速。
因此，在弯曲的时空中，引力不再需要被“施加”在物体上，物体在弯曲处自己就会下落并加速。我们现在所要做的就是假设一个物体（例如一颗恒星或者具有大量质能的行星）会使其周围的时空弯曲，就像一个孩子在蹦床上跳来跳去的时候会让具有弹性的蹦床表面弯曲一样，而其他的物体（例如行星或是卫星）如果离得太近，就会沿着由这种弯曲决定的最短路径运动。
沿着这条路径自由下落而产生的加速度完全等价于在引力作用下产生的加速度（参见下图）。在1907年做出了这一猜测之后，爱因斯坦又花费了8年的时间才形成了完整的理论，在这一过程中他遇到了许多挫折，走过许多死胡同。
最终，爱因斯坦于1915年11月25日向柏林普鲁士科学院提交了广义相对论场方程，他自己的评价是：“这个理论真是美丽到无以复加，可惜只有一个人能看得懂……”这个人就是德国数学家大卫·希尔伯特，他近乎狂热地追捧爱因斯坦提出的广义相对论。本文经出版社授权编摘自《物质是什么》（吉姆·巴戈特/著，柏江竹/译，中信出版集团·鹦鹉螺，2020年5月）。作者简介吉姆·巴戈特生于1957年，英国科学史作家。
牛津大学化学物理学博士，牛津大学和斯坦福大学博士后，英国雷丁大学化学讲师。葛兰素史克科学作家奖和英国皇家化学学会授予的马洛奖章得主。巴戈特从事过多年的学术研究工作，二十多年来一直专注于科学、哲学和历史类主题写作。著有《量子空间：通往万物理论的新途径》《希格斯：上帝粒子的提出与发现》《原子弹秘史》等书籍，并在《新科学人》《自然》等科学刊物上发表文章。
2013年，巴戈特在摩根·弗里曼主持的“穿越虫洞”科学系列节目中首次亮相，之后多次参与英国和美国科学广播节目的录制，致力于科学普及。图书简介这是一本探寻物质本质的科普读物。我们身边的万事万物都是由“物质”构成的，从行星到书本，再到我们自己的身体，莫不如此。但物质究竟是什么呢？仔细想一下，好像又很难回答。先说说看上去相对简单的质量好了，质量是什么？这似乎是个很幼稚的问题。
我们每个人都对质量的概念有所认识，我们都能感受到地球重力作用下的重量。而质量就是一个物体所包含的物质总量，我们几乎理所当然地这么认为。可是，物质到底有什么样的基本性质呢？它为什么会具有质量这一属性？这个问题的答案并非显而易见，甚至说，它是如此复杂，所以它才一直萦绕在每一代科学家的心间。从古希腊人所认为的不可分割的原子，到量子理论、色荷和希格斯场。
吉姆·巴戈特将带我们踏上一段精彩纷呈的旅程：探索物质的性质。我们将在一群伟大科学家的陪伴之下，越来越深入地探索我们的宇宙。