Tinjaulah
dua kerangka referensi : (1) sebuah kerangka referensi (inersial) yang tanpa
percepatan S di
mana di dalamnya ada sebuah medan gravitasi uniform dan (2) sebuah kerangka S’ yang mengalami percepatan
uniform terhadap sebuah kerangka inersia tetapi yang di dalamnya tidak ada
medan gravitasi. Di dalam teori relativitas umum, Albert Einstein
memperlihatkan bahwa dua kerangka seperti itu adalah persis ekuivalen secara
fisis. Yakni, eksperimen yang dilakukan di bah kondisi – kondisi yang sama di
dalam kedua kerangka ini harus memberikan hasil yang sama. Inilah prinsip ekuivalen.
Misalkan
bahwa sebuah kapal ruang angkasa berada di dalam keadaan diam di dalam sebuah
kerangka referensi inersia S di
dalam mana ada sebuah medan gravitasi uniform., katakanlah di permukaan bumi.
Di dalam kapal ruang angkasa tersebut benda – benda seperti apel, yang
dilepaskan, akan jatuh dengan suatu percepatan, katakanlah g, di dalam medan gravitasi
tersebut; benda – benda yang berada di dalam keadaan diam – seperti seorang
astronot yang duduk di atas lantai atau sebuah bungkusan di atas sebuah neraca
pegas yang diikatkan ke loteng – akan mengalami sebuah gaya, yang berturut –
turut dikerahkan oleh lantai atau pegas, yang menentang beratnya.
Misalkan
sekarang bahwa roket – roket dihidupkan dan kapal ruang angkasa melaju ke
sebuah daerah angkasa luar di mana tidak
ada medan gravitasi. Misalkan percepatan kapal
ruang angkasa tersebut, yakni percepatan kerangka kita yang baru S’ adalah a = -g terhadap
kerangka inersia S; yakni,
kapal tersebut dipercepat menjauhi bumi di luar daerah di mana medan bumi (atau
suatu medan gravitasi lain) adalah cukup besar. Kondisi – kondisi di dalam
kapal ruang angkasa sekarang akan serupa dengan kondisi – kondisi di dalam
sebuah kapal ruang angkasa yang diam dipermukaan bumi. Di dalam kapal ruang
angkasa tersebut, jika astronot melepaskan sebuah apel, maka apel tersebut akan
dipercepat ke bawah relatif terhadap kapal ruang angkasa dengan percepatan g. Ternyata karena sebuah benda
yang bebas dari sesuatu gaya akan bergerak dengan kecepatan uniform relatif
terhadap kerangka inersia S, maka
semua benda seperti itu, akan kelihatan jatuh dengan percepatan g yang sama terhadap kapal ruang
angkasa, S’. Selanjutnya, benda – benda yang diam relatif
terhadap kapal ruang angkasa tersebut – seperti seorang astronot yang sedang
duduk di atas lantai atau sebuah bungkusan pada sebuah bungkusan pada sebuah
neraca pegas yang diikatkan ke loteng – akan mengalami gaya – gaya yang tak
dapat dibedakan dari gaya – gaya yang mengimbangi beratnya di dalam kasus bila
kapal ruang angkasa tersebut adalah diam di dalam sebuah medan gravitasi di
dalam S.
Sesungguhnya,
jika astronot tersebut tidak mengetahui bahwa roket – roket mempercepat
kapalnya dari S, maka
dia akan dibenarkan di dalam menyimpulkan bahwa dia berada di dalam sebuah
medan gravitasi – sebuah medan yang tarikannya telah mempercepat apel yang
jatuh di dalam S’ dan
yang tarikannya diperlukan sehingga gaya pengimbang dipakaikan kepada bungkusan
(tegangan di dalam pegas) dan kepada astronot (gaya normal dari lantai) untuk
membuat bungkusan dan astronot tersebut tetap diam di dalam S’. Astronot tersebut tidak akan dapat
mengatakan perbedaannya, dari pengamatan di dalam kerangkanya sendiri, di
antara situasi di dalam mana kapalnya dipercepat relatif terhadap sebuah
kerangka inersia di dalam sebuah daerah yang tidak mempunyai medan gravitasi
dan situasi di dalam mana kapal ruang angkasa tersebut tidak dipercepat di
dalam sebuah kerangka inersial di dalam mana terdapat sebuah medan gravitasi
yang uniform. Kedua situasi tersebut adalah persis ekuivalen.
Einstein
telah menunjukkan bahwa, dari prinsip ekuivalen, maka disimpulkan bahwa
seseorang tidak dapat berkata mengenai percepatan absolut dari sebuah kerangka
referensi, tetapi hanya mengenai percepatan relatif, sama seperti yang
disimpulkan dari teori relativitas khusus bahwa orang tidak dapat berkata
mengenai kecepatan absolut dari sebuah kerangka referensi, tetapi hanya
mengenai kecepatan relatif. Didapatkan juga dari prinsip ekuivalen bahwa massa
inersia dan massa gravitasi adalah sama. Untuk semua benda yang bebas dari
suatu gaya akan bergerak dengan kecepatan uniform relatif terhadap sebuah
kerangka referensi inersia tak peduli betapapun massa inersailnya, dan karena
itu maka semua benda tersebut akan mempunyai
percepatan yang sama relatif terhadap kerangka referensi yang dipercepat.
Maka, dari prinsip ekuivalen dari S
dan S’
,
maka semua benda seharusnya jatuh dengan percepatan yang sama di dalam sebuah
medan gravitasi homogen.
Dari
pembicaraan yang sebegitu jauh kita melihat bahwa sebuah medan gravitasi
uniform dapat ditiru oleh sebuah “medan percepatan”. Sesungguhnya, sebuah medan
gravitasi uniform dapat “dihilangkan” dengan mentransformasikan kepada sebuah
kerangka referensi yang dipercepat di dalam arah medan dengan sebuah percepatan
yang besarnya sama dengan besarnya percepatan yang disebabkan oleh medan
tersebut. Diana kerangka yang baru ini partikel yang geraknya mula – mula
dipengaruhi oleh medan gravitasi sekarang adalah sebuah partikel bebas.
Misalnya di dalam sebuah satelit bumi buatan sebuah apel dilepaskan oleh
seorang astronot tidak akan jatuh relatif terhadap satelit dan astronot itu
sendiri akan bebas dari gaya – gaya yang melawan tarikan gravitasi sebelum
peluncuran, sehingga dia merasakan bahwa dia tidak mempunyai berat. Akan
tetapi, apa umumnya, medan gravitasi, seperti medan gravitasi bumi, tidaklah uniform
di seluruh ruang, sehingga orang tidak dapat mengganti medan gravitasi di
seluruh ruang dengan hanya mentransformasikan kepada sebuah kerangka referensi
tunggal yang dipercepat terhadap sumber medan tersebut. Kita akan memerlukan
sebuah kerangka yang berbeda yang dipercepat di setiap titik di dalam ruang
untuk meniru seluruh medan gravitasi tersebut.