编者按：本文最初发表于1961年3月刊的《大众科学》杂志。
在文明人相信世界是平的时代，他们没有理由去思考引力。那时只有上和下。所有物质都自然地倾向于向下运动，或者说下落，没有人想到要问为什么。绝对的上下方向的概念一直延续到中世纪，当时人们仍然用它来证明地球不可能是圆的。
刺破关于落体经院思想迷雾的第一缕曙光，来自伽利略·伽利莱的工作。由于自由落体太快而无法直接测量，伽利略决定通过研究放置在斜面上的物体来稀释运动。他认为——在当时这是一个新颖的论点——由于放在水平面上的球根本不动，并且由于平行于垂直面下落的球的运动速度与表面不存在时一样快，因此斜面上的球应该以取决于倾斜角度的中间速度滚动。通过让球在不同角度的斜面上滚动，他观察了它们的行进速度和在不同时间间隔内覆盖的距离，他用滴水计时器测量时间间隔。实验表明，在任何角度下，速度的增加都与时间（从释放时刻算起）成正比，并且覆盖的距离的增加与时间的平方成正比。伽利略还观察到，如果从同一斜面的同一高度同时释放一个重铁球和一个轻得多的木球，它们会并排滚落。
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为了以另一种方式稀释自由落体，他使用了简单的单摆——用细绳悬挂的重物。在这里，通过改变绳子的长度来调整重物沿其运动的弧线的陡峭程度。事实证明，即使重量发生变化，相同长度的单摆也具有相同的振荡周期，这一结果与斜面实验的结果一致。从所有这些观察中，伽利略被引导推断，在自由落体中，所有物质物体，无论轻重，也都以完全相同的方式运动。这一想法直接与当时盛行的亚里士多德哲学学派的观点相矛盾，后者认为较重的物体比轻的物体下落得更快。根据著名的传说，这个传说可能是真的，也可能不是真的，伽利略爬上比萨斜塔，扔下一个轻球和一个重球，它们同时落地，这让当时的哲学家们感到震惊。
牛顿引力定律
这些研究为力学科学奠定了基础。主要结构是由艾萨克·牛顿建立的，他出生于伽利略去世的那一年。牛顿在他的运动定律中引入了力和惯性质量的概念。当力施加到物质物体上时，它会改变它们的速度或运动方向，或两者都改变。它们的惯性质量会抵抗这些变化。牛顿指出，物体的速度变化率（加速度）与作用在其上的力成正比，与它的质量成反比。力加倍，加速度加倍；质量加倍，加速度减半；如果力和质量都加倍，加速度保持不变。根据这项定律，伽利略关于自由落体的结论暗示了一个通常被认为是理所当然的事实，但实际上非常奇怪；即，物体的重量（即地球对其的引力）与它的惯性质量严格成正比。否则，相同尺寸的铁球和木球不会以相同的速度下落。如果两个物体在下落时具有相同的加速度，那么铁球中抵抗运动变化的惯性质量必须大于木球中的惯性质量，其比例与铁球上的向下力更大的比例完全相同。这种比例关系远非微不足道；事实上，它只对引力成立，而不适用于其他常见的力，例如电力和磁力。因此，虽然电子和质子在引力场中会以相同的加速度下落，但当这些粒子放置在电场中时，电子的加速度是质子的 1,836 倍。
从他对朝地球下落的球（或苹果）的分析中，牛顿开始更广泛地考虑引力。他的思路在他《原理》中的一个非常有趣的讨论中得到了证明。他说，假设我们从一座高耸于大气层之上的山顶水平射出一颗子弹。子弹将沿着弯曲的轨迹运动，并击中山脚下一定距离处的地球表面。枪口速度越大，子弹着陆点离山越远。在足够高的初始速度下，子弹将落在山的正对面；在更高的速度下，它将永远不会击中地面，而是像一颗小月亮一样继续绕地球旋转。牛顿认为，如果可以用这种方式制造人造卫星，为什么不假设天然卫星月球的运动也是自由落体呢？如果月球因为地球的引力而绕地球旋转，那么假设地球本身也被太阳的引力束缚在绕太阳的轨道上，难道不合逻辑吗？那么，对于所有其他行星及其卫星来说，这难道不是也成立的吗？因此，产生了意义极其重大的普遍引力思想，它指出宇宙中所有物质物体都相互吸引，其力的大小取决于它们的质量和相互距离。
为了确定力与质量和距离的确切关系，牛顿首先假设，由于地球与靠近其表面的每个物体之间的力与物体的惯性质量成正比，因此力也应该与地球的惯性质量成正比。这立即解释了为什么两个苹果这样的小质量物体之间的引力从未被注意到。它太弱了。直到牛顿去世半个世纪后，另一位英国天才亨利·卡文迪许才通过实验证明了这种力的存在。
在假定两个物体之间的引力与它们质量的乘积成正比之后，牛顿随后研究了对距离的依赖性。他将保持月球在其轨道上运行所需的力（距离地球中心 60 个地球半径）与苹果在距离地球中心只有一个半径的距离处所受的力进行了比较。这里重要的是要认识到，两个物体之间质量的巨大差异并不影响比较的有效性。事实上，一个放置在月球距离处的苹果，如果赋予其轨道速度，它将像月球一样绕地球运动；同样，如果可以将月球悬挂在树枝上，它也会像苹果一样快地掉到地上。牛顿的数学分析表明，引力随着吸引物体之间距离的平方而减小。
他现在可以写出引力的公式：F = G (M1M2)/d2• G 是比例常数，或引力常数。这是一个非常小的数字；如果质量以克为单位测量，距离以厘米为单位测量，G 大约是 0.000000066。这意味着一对相隔一厘米的一克砝码，它们之间的吸引力略大于 6 亿分之一达因，或约 6 千亿分之一克的重量。
牛顿将万有引力定律与他的运动定律相结合，得以在数学上推导出约翰内斯·开普勒发现的行星运动规律。在随后的难忘时代，牛顿和他的后继者们解释了天体的运动，直至最细微的细节。但是，引力相互作用的本质，特别是引力质量和惯性质量之间神秘的比例关系的原因，在 200 多年的时间里一直完全隐藏着。
爱因斯坦引力定律
然后，在 1914 年，阿尔伯特·爱因斯坦揭开了面纱。他提出的思想源于他十年前提出的狭义相对论。该理论基于这样的假设：在封闭的舱室内进行的任何观测都无法回答舱室是静止还是沿直线匀速运动的问题。因此，像作者写下这些文字时的情况一样——在平稳海面上航行的S.S. Queen Elizabeth号的内舱中——一个人无法进行任何实验，无论是机械的、光学的还是任何其他类型的，来告诉他船舶是真的在运动还是停在港口。但是，让暴风雨来临，情况就会痛苦地改变；与匀速运动的偏差是显而易见的。
为了处理非匀速运动的问题，爱因斯坦想象了一个位于远离任何大型引力质量的宇宙飞船中的实验室。如果飞行器相对于遥远的恒星处于静止或匀速运动状态，那么内部的观察者以及所有未固定在墙壁上的仪器都将自由漂浮。将没有上和下。然而，一旦火箭发动机启动，飞船加速，仪器和人员将被压向与运动方向相反的墙壁。这面墙将成为地板，对面的墙将成为天花板，人们将能够像在地面上一样站立和移动。事实上，如果加速度等于地球表面上的重力加速度，乘客们很可能会认为他们的飞船仍然停留在发射台上。
假设其中一位乘客同时释放两个球体，一个铁球和一个木球，他一直将它们并排握在手中。“实际”发生的事情可以描述如下：当球体被握住时，它们与观察者和整个飞船一起进行加速运动。当它们被释放时，它们不再由火箭发动机驱动。现在它们将并排移动，每个球的速度都等于释放时宇宙飞船的速度。然而，飞船本身将不断加速，飞船的“地板”将迅速超过这两个球并同时击中它们。
对于飞船内的观察者来说，实验看起来会有所不同。他会看到球落下并在同一时间撞击“地板”。回想起伽利略在比萨斜塔上的演示，他会确信他的太空实验室中存在一个普通的引力场。
对观察到的事件的两种描述都是正确的；两种观点的等效性是爱因斯坦引力相对论的基础。然而，如果等效原理仅适用于机械现象，那么加速舱室和“真实”引力场中进行的观测之间的这种所谓的等效原理将是微不足道的。爱因斯坦深刻的洞察力在于，该原理非常普遍，也适用于光学和其他电磁现象。
想象一下，一束光线在“水平”方向上传播穿过太空实验室。它的路径可以通过一系列等距间隔的垂直荧光玻璃板来追踪。同样，实际发生的情况是，光束以恒定速度沿直线传播，而玻璃板以不断增加的速度穿过其路径。光束从一块板传播到下一块板所花费的时间相同，但板在每个连续的间隔内移动得更远。因此，荧光点的图案显示地板以越来越快的速度接近光束。如果舱室内的观察者在这些点之间画一条线，对他来说，这条线看起来会像一条朝地板弯曲的抛物线。由于他认为加速现象是由引力引起的，他会说当光线在引力场中传播时会发生弯曲。
因此，爱因斯坦得出结论，如果等效原理在所有物理学中都成立，那么来自遥远恒星的光线在到达地球途中经过太阳附近时，应该向太阳弯曲。这一预测在 1919 年得到英国天文学家小组的精彩证实，他们观测了非洲的日全食。随着遮蔽阳光的月球熄灭了阳光，人们看到太阳盘边缘附近的恒星偏离太阳约 1.75 角秒。
相对论旋转木马
接下来，让我们考虑另一种类型的加速运动——匀速旋转。（以恒定速度在圆形路径上运动的物体会因其方向的不断变化而加速。）想象一个周围有帘子的旋转木马，这样里面的人就无法通过观察周围环境来判断它是否在旋转。如果旋转木马在转动，观察者会意识到离心力，这种力会将他们向外推向边缘。放在平台上的球会从中心滚开。作用在平台上任何物体上的离心力将与物体的惯性质量成正比，因此在这里，加速运动的影响可以被认为是等同于引力场的影响。当然，这是一个特殊的场；它与地球表面或任何其他球形物体表面的场截然不同。力方向远离系统中心，而不是朝向中心；并且它不是随着距中心距离的平方而减小，而是与该距离成正比地增加。此外，该场围绕中心轴具有圆柱对称性，而不是围绕中心点具有球对称性。然而，等效原理仍然成立，并且该场可以被解释为是由分布在对称轴周围远处的大量引力质量引起的。
光将如何在这个场中传播？假设一个光源在旋转盘的边缘上的一个点 A 处，向各个方向发出光线，并在第二个点 B 处被观察到，B 也位于边缘。根据光学基本定律，光总是沿着最短路径传播。但是，A 和 B 之间的最短路径是什么？为了测量连接点 A 和 B 的各种线的长度，观察者使用古老但始终安全的方法，即计算可以沿线端到端放置的码尺的数量。
当我们从外部观察实验时，我们回想起狭义相对论，它告诉我们，运动的码尺会沿着其运动方向收缩。因此，我们看到，如果观察者沿着从 A 到 B 的“真实”直线测量，他的码尺会收缩，并且与平台不移动的情况相比，他需要更多的码尺来测量该线。现在出现了一个有趣的点。码尺离旋转木马中心越近，其线速度越小，因此其收缩也越小。通过将码尺线向中心弯曲，观察者减少了他从 A 到 B 所需的数量。虽然“实际”距离略长，但每个码尺的收缩较小，这种增加得到了充分补偿。沿着这条最短路径的光线，在其旅程开始时向内，然后向外弯曲，可以被认为是被视在引力场偏转，该引力场径向向外。
在离开旋转木马之前，让我们再考虑一个实验。一对相同的时钟放置在平台上，一个靠近中心，另一个在边缘。与码尺的情况一样，外部时钟比内部时钟移动得更快，狭义相对论再次预测了它们行为的差异。除了导致码尺收缩外，运动还会使时钟变慢。因此，外部时钟相对于内部时钟会变慢。现在，将加速效应解释为引力场的观察者会说，放置在较高引力势（即引力作用方向）中的时钟运行较慢。
虽然我们无法在此处详细介绍，但爱因斯坦的论证表明，在正常的引力场（例如地球上的引力场）中，也会出现相同的效应。在这里，场是向下的，因此海平面的时钟比山顶的时钟运行得慢。减速同样适用于所有其他物理、化学和生物现象，在帝国大厦一楼工作的打字员比在她顶层工作的双胞胎姐妹衰老得更慢。更强的场会产生更大的减速。太阳表面的时钟比地球上的时钟慢 0.0001%。
显然，我们无法将时钟放在太阳上，但我们可以观察产生太阳光谱中各种谱线的原子振动速率。如果这些天然时钟变慢，它们发出的光应该向光谱的低频或红色端移动。这种“引力红移”是爱因斯坦预测的。在太阳光谱的谱线中确实发现了这种红移，但它太小了，几乎处于观测精度的极限。密度大得多的白矮星的光谱，预计其红移比太阳大 40 倍，与该理论非常吻合。
天文证据不如可以在地面实验室进行的实验那样令人满意。然而，直到几年前，似乎还没有希望测量地球引力场中不同高度时钟之间预测的微小差异。然后，慕尼黑大学的 R. L. 穆斯堡尔找到了一种方法来产生频率非常纯净的核伽马射线，并测量其频率的极小变化 [参见 Sergio De Benedetti 的文章“穆斯堡尔效应”；《大众科学》，1960 年 4 月]。抓住这个新机会，一些研究人员继续证明，在地球场中仅相隔几十英尺的两个核“时钟”以可测量的不同速率运行，并且该差异与爱因斯坦预测的完全一致，在实验误差范围内。如果还需要更多的验证，那么当人造卫星中的原子钟与地面上的原子钟进行比较时，几乎肯定会获得另一种验证。
因此，我们看到在引力场中，时钟运行缓慢，光线沿场方向弯曲，直线不是两点之间的最短距离。然而，除了真空中的光路或两点之间的最短距离之外，如何定义“直线”呢？爱因斯坦的想法是保留这个定义。他没有说光线和最短距离是弯曲的，而是建议空间本身（更准确地说是时空）是弯曲的。很难想象弯曲的三维空间，更不用说弯曲的四维时空了，但通过与二维表面的类比，可以对它的含义有所了解。我们都在学校学到的欧几里得几何学适用于可以在平面上绘制的图形。如果几何图形绘制在曲面上，例如球体或马鞍形表面，则许多欧几里得定理都不成立。
特别是，平面三角形的角度之和等于 180 度。在球面三角形中，角度之和大于 180 度，而在马鞍形表面上绘制的三角形中，角度之和小于 180 度。诚然，从三维角度来看，球面和马鞍形表面上形成三角形的线不是直线，但如果仅限于所讨论的表面，它们是点之间“最直”（即最短）的线。数学家称这种线为测地线，或简称为大地线。
在三维空间中，测地线根据定义是光线传播的路径。考虑由三条这样的测地线组成的三角形。如果角度之和等于 180 度，则该空间被称为是平坦的。如果总和大于 180 度，我们说该空间是球形的，或正弯曲的；如果小于 180 度，我们说它是马鞍形的，或负弯曲的。由于光线向太阳弯曲，位于地球、火星和金星上的天文学家将测得行星之间传播的光线形成的三角形的角度大于 180 度。因此，我们可以说太阳周围的空间是正弯曲的。另一方面，在旋转木马类型的引力场中，三角形的角度之和小于 180 度，并且该空间在负方向上弯曲。
以上论证代表了爱因斯坦引力理论的基础。在牛顿的观点中，太阳在其周围的空间中产生一个力场，使行星沿着弯曲的轨迹而不是直线运动。在爱因斯坦的图景中，空间本身变得弯曲，行星沿着弯曲空间中最直（测地线）的线运动。这里我们谈论的是四维时空连续体中的测地线。当然，说轨道本身是三维空间中的测地线是错误的。
爱因斯坦将引力解释为时空曲率，其结果与经典牛顿理论的结果并不完全相同。我们已经提到了光线的弯曲。相对论也给出了物质物体运动的略微不同的答案。例如，它解释了水星轨道主轴进动速度的计算值与观测值之间的差异，这代表了经典天体力学长期存在的谜团。
引力波
牛顿的质量之间引力相互作用定律与电荷之间静电相互作用定律非常相似，爱因斯坦的引力场理论与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁场理论有许多共同要素。因此，很自然地会想到，振荡质量应该会产生引力波，正如振荡电荷会产生电磁波一样。在 1918 年发表的一篇著名文章中，爱因斯坦确实获得了他的广义相对论基本方程的解，这些解代表了通过空间以光速传播的引力扰动。如果它们存在，引力波必须携带能量；但是它们的强度，或它们传输的能量量，非常小。例如，地球在其绕太阳的轨道运动中，应该发出约 0.001 瓦的功率，这将导致它在十亿年内向太阳方向下落百万分之一厘米！
还没有人想到检测如此微弱的波的方法。事实上，一些理论家，其中包括阿瑟·爱丁顿爵士，认为引力波根本不代表任何物理现实，而仅仅是一种数学虚构，可以通过适当选择时空坐标从方程中消除。然而，更彻底的分析表明，情况并非如此，引力波虽然微弱，但却是真实的。
引力波是否像电磁波一样被划分为离散的能量包或量子？英国物理学家 P. A. M. 狄拉克在两年前最终回答了这个问题，这个问题与量子理论一样古老。他成功地将引力场方程量子化，并表明引力量子或“引力子”的能量等于普朗克常数 h 乘以它们的频率——与给出光量子或光子能量的表达式相同。然而，引力子的自旋是光子自旋的两倍。
由于引力波的微弱性，它在天体力学中并不重要。但是引力子是否可能在基本粒子的物理学中发挥作用呢？这些物质的终极组成部分以多种方式相互作用，通过发射或吸收适当的“场量子”。因此，电磁相互作用（例如带相反电荷的物体之间的吸引力）涉及光子的发射或吸收；据推测，引力相互作用也与引力子有关。在过去的几年里，已经清楚地认识到，物质的相互作用分为不同的类别：（1）强相互作用，包括电磁力；（2）弱相互作用，例如放射性原子核的“β衰变”，其中发射出一个电子和一个中微子；（3）引力相互作用，它比所谓的“弱”相互作用弱得多。
相互作用的强度与量子发射或吸收的速率或概率有关。例如，原子核大约需要 10 -12 秒（十亿分之一秒的百万分之一）才能发射一个光子。相比之下，中子的 β 衰变需要 12 分钟——大约长 10 14 倍。可以计算出原子核发射引力子所需的时间为 1060 秒，即 10^53 年！这比弱相互作用慢了 10^58 倍。
现在，中微子本身就是与其他类型的物质的吸收概率极低（即相互作用）的粒子 [参见 Philip Morrison 的文章“中微子”；《大众科学》，1956 年 1 月]。它们没有电荷，也没有质量。早在 1933 年，尼尔斯·玻尔就曾询问：“[中微子] 与引力波的量子之间有什么区别？”在所谓的弱相互作用中，中微子与其他粒子一起发射。那么，仅涉及中微子的过程呢？例如，受激原子核发射中微子-反中微子对？没有人探测到此类事件，但它们可能会发生，也许与引力相互作用在同一时间尺度上。一对中微子将提供自旋为 2，这是狄拉克计算出的引力子的值。当然，所有这些都纯粹是推测，但中微子与引力之间的联系是一个令人兴奋的理论可能性。
引力与电磁力
在迈克尔·法拉第的实验室日记中，1849 年出现以下条目：“引力。当然，这种力必须能够与电力、磁力和其他力建立实验关系，以便将它与它们一起构建在相互作用和等效效应中。请考虑一下如何通过事实和试验来着手处理这个问题。” 他为发现这种关系而进行的无数次实验都徒劳无功，他在日记的这一部分结尾写道：“我目前的试验到此结束。结果是否定的。它们并没有动摇我对引力与电力之间存在关系的强烈感觉，尽管它们没有给出这种关系存在的证据。” 随后的实验努力也没有取得任何成功。
爱因斯坦对将电磁场与引力场对齐进行了理论攻击。在将引力简化为时空连续体的几何属性之后，他确信电磁场也必须具有某种纯粹的几何解释。然而，从这种信念中产生的“统一场”理论进展艰难，爱因斯坦去世时没有产生任何像他早期工作那样简单、优雅和令人信服的东西。今天，越来越少的物理学家在研究统一场理论；大多数人确信将电磁场几何化的努力是徒劳的。至少在作者看来，引力和电磁力之间的真正关系只能通过理解基本粒子的性质来找到——理解为什么只存在具有某些惯性质量而不是其他质量的粒子——以及理解质量与粒子的电磁性质之间的关系。
作为该领域基本问题的一个例子，再次考虑引力和电磁相互作用的相对强度。与其比较量子发射所需的时间，不如比较一对中等质量粒子（例如 π 介子）之间的静电力和引力之间的实际强度。计算表明，静电力与引力的比率等于电子电荷的平方除以粒子质量的平方乘以引力常数：e2 / M2C。对于两个 π 介子，该值为 10^40。任何声称描述电磁力与引力之间关系的理论都必须解释这个比率。应该指出的是，该比率是一个纯数字，无论使用什么单位制来测量各种物理量，该比率都保持不变。这种纯数学推导出的无量纲常数，经常出现在理论公式中，但它们通常是小数字，例如 2π、5/3 等。
如何从数学上推导出像 10^40 这样大的常数？大约 20 年前，狄拉克提出了一个有趣的建议。他认为数字 10^40 实际上不是一个常数，而是一个随时间变化的变量，并且与宇宙的年龄有关。根据宇宙演化论，该理论认为宇宙起源于“大爆炸”，宇宙现在大约有 5 × 10^9 年，或 10^17 秒的历史。当然，年或秒是一个任意单位，我们更喜欢可以从物质和光的基本属性中推导出来的基本时间间隔。一个合理的时间间隔是光传播等于基本粒子半径的距离所需的时间长度。由于所有粒子的半径都约为 3 × 10^-13 厘米，并且由于光速为每秒 3 × 10^10 厘米，因此这个基本时间单位为 3 × 10^-13 除以 3 × 10^10，或 10^-23 秒。为了用这个基本时间单位表示宇宙的年龄，我们将宇宙的年龄（以秒为单位，10^17）除以 10^-23，得到数字 10^40！因此，狄拉克说，电力与引力之比大的特点是宇宙的当前年龄。当宇宙的年龄是现在的一半时，这个比率也是其当前值的一半。由于有充分理由假设基本电荷不随时间变化，狄拉克得出结论，引力常数必须正在减小，并且这种减小可能与宇宙的膨胀和填充宇宙的物质的稳定稀疏有关。
如果引力常数真的在减小，或者换句话说，如果引力一直在减弱，那么我们的太阳系一定随着宇宙一起膨胀。在早期，地球会更靠近太阳，因此比现在更热。当狄拉克提出这个想法时，太阳系被认为大约有 30 亿年的历史。加州大学的爱德华·泰勒指出，在这样的时间尺度上，地球在寒武纪时期（当时已经存在高度发达的海洋生物）会比水的沸点高 50 度。现在看来，太阳系可能已有 50 亿年或更长时间的历史，在这种情况下，寒武纪海洋虽然很热，但不会被汽化。因此，如果寒武纪动植物能够在非常热的水中生存，那么这个反对意见就失去了效力。
反引力
在他的一个故事中，H. G. 威尔斯描述了一位英国“发明家”卡沃尔先生，他发现了一种名为卡沃尔石的材料，这种材料可以阻挡重力。正如铜片可以屏蔽物体免受电力影响，铁片可以屏蔽磁力一样，一块放置在物体下方的卡沃尔石片可以屏蔽物体免受地球引力的影响。卡沃尔先生建造了一个大型吊舱，周围环绕着卡沃尔石制成的百叶窗。一天晚上，当月亮高悬时，他进入飞船，关闭了朝向地面的百叶窗，打开了朝向月球的百叶窗。由于与地球引力隔绝，只受到月球的引力，吊舱翱翔太空，最终将卡沃尔先生送到了我们卫星的表面。
为什么这样的发明是不可能的？或者可能吗？牛顿万有引力定律与支配电荷和磁极相互作用的定律之间存在着深刻的相似性。如果可以屏蔽电力和磁力，为什么不能屏蔽重力呢？要回答这个问题，我们必须考虑电力和磁力屏蔽的机制。任何物质中的每个原子或分子都是一个由正负电荷组成的系统；在导电金属中，有许多负电子可以自由地在带正电离子的晶格中移动。当金属被置于电场中时，自由电子会移动到材料的一侧，使其带负电荷，而另一侧则带正电荷。这种极化产生了一个新的电场，其方向与原始电场相反。因此，两者可以相互抵消。同样，磁屏蔽取决于磁性材料的原子是微小的磁体，其北极和南极排列起来产生与外部磁场相反的磁场。这里，屏蔽效果也来自原子粒子的极化。
引力极化可能会使屏蔽重力成为可能，它要求物质由两种粒子构成：一些带有正引力质量的粒子，它们被地球吸引；另一些带有负引力质量的粒子，它们被排斥。正负电荷以及南北磁极在自然界中同样丰富，但带有负引力质量的粒子至今仍是未知的，至少在普通原子和分子的结构中是如此。因此，普通物质不能被引力极化，也不能充当重力屏蔽。
然而，还有另一种物质——反物质——在许多方面与普通物质相反，包括其电磁性质。也许反粒子也具有负质量。乍一看，这似乎是一个容易决定的问题。人们只需观察从加速器射出的水平反中子束，看看光束在地球引力场中是向下弯曲还是向上弯曲即可。实际上，这个实验无法完成。加速器产生的粒子几乎以光速运动；在水平传播一公里的距离内，引力会使它们弯曲，无论是向上还是向下，只有大约 10-12 厘米，即原子核的直径。也不能通过让它们与“慢化剂”材料的原子核碰撞来减速，就像中子在原子反应堆中减速一样。如果反粒子与它们的普通对应物碰撞，两者都会在物质湮灭中消失。因此，从实验的角度来看，关于反粒子的引力质量符号的问题仍然令人痛苦地悬而未决。
从理论的角度来看，这个问题也是悬而未决的，因为我们还没有一个将引力相互作用和电磁相互作用联系起来的理论。如果未来的实验证明反粒子确实具有负引力质量，那将通过证伪等效原理，对整个相对论引力理论造成致命打击。一个反苹果可能会在真正的引力场中向上掉落，但在爱因斯坦的加速宇宙飞船中却很难做到这一点。如果真的发生了，外部观察者会看到它以飞船两倍的加速度运动，而没有任何力作用在它身上。因此，反重力的发现将迫使我们在牛顿的惯性定律和爱因斯坦的等效原理之间做出选择。作者真诚地希望这不会发生。