Ascenseur d'Einstein

Einstein a utilisé l'image d'un ascenseur dans le vide astral (aucun champ de force extérieur à l'ascenseur), tiré vers le haut avec une accélération constante par un géant. On remarquera que cette expérience de pensée n'utilise que des phénomènes mécaniques.

• Si les parois sont transparentes, un physicien placé à l'extérieur observerait que des objets tenus puis lâchés simultanément par une personne placée à l'intérieur, seraient propulsés à la même vitesse dans la même direction que l'ascenseur, conserveraient leur vitesse commune du fait du principe d'inertie, tout en étant rattrapés simultanément par le sol de l'ascenseur (dont la vitesse augmente à accélération constante, par hypothèse).
• Si les parois sont opaques, un physicien placé à l'intérieur verrait que tous les objets qu'il lâche simultanément dans l'ascenseur tombent simultanément, quelles que soient leurs masses. Le physicien connaissant la loi de la gravitation, et sans rien savoir de l'extérieur, peut conclure que son ascenseur est immobile dans un champ de gravitation constant, comme à la surface de la Terre ou d'une autre planète.

Le raisonnement du physicien enfermé ne tient que dans la mesure où il admet la loi de gravitation, notamment l'égalité entre la masse inertielle et la masse gravifique qui seule peut justifier l'égalité de vitesse de la chute de corps de masses différentes par la force de gravitation.

Si l'ascenseur est suffisamment vaste, le physicien enfermé peut commencer à expérimenter son environnement pour voir si cette gravitation est semblable à celle autour d'un centre de gravité : modification avec l'altitude, parallélisme, convergence ou divergence des forces, etc. Et dans ce cas, il trouvera des différences.

Si le référentiel est accéléré de manière différente, variable, la force observée par le physicien qui y est soumis sera identifiable à une gravitation, car tous les objets y seront soumis de la même manière, mais une gravitation variable : enfermé dans sa boîte, il pourra dans certains cas modéliser ce qu'il observe par la gravitation de plusieurs corps célestes massifs simultanés, mais rien ne le garantit.

Par cette expérience de pensée, Einstein montre que les effets locaux de la gravitation et d'un référentiel accéléré pour l'observateur ne sont pas physiquement distinguables par une expérience mécanique : il y a équivalence locale. Cela explique du même coup l'équivalence entre masse de gravitation (liée à l'attraction des corps) et masse d'inertie (résistance au changement de vitesse).