Потому что в вакууме на тела действует только сила тяжести, и при прочих равных их ускорение не зависит от массы. Это видно из второго закона Ньютона и выражения для силы тяжести:
$F=ma$, $F=mg$ ⇒ $ma=mg$ ⇒ $a=g$.
В терминах общей теории относительности это следствие эквивалентности инертной и гравитационной массы: все невзаимодействующие материальные точки в одинаковом гравитационном поле движутся по одним и тем же геодезическим (т. е. падают одинаково).
Реальные факторы, которые могут вызвать отклонения от идеального поведения:
- Воздушное сопротивление (самый важный): $F_d=\frac{1}{2}{C}_d\rho A{v}^2$. Из‑за него разные массы, формы и площади поперечного сечения имеют разные ускорения и времена падения; при установившемся движении терминальная скорость $v_t=\sqrt{\frac{2mg}{C_d\rho A}}$ зависит от массы.
- Архимедова сила (выталкивание) в атмосфере уменьшает эффективную силу тяжести.
- Различия в форме и шероховатости поверхности (меняют $C_d$).
- Неидеальное начальное условие (разная высота, начальная скорость, задержка при отпускании).
- Кориолисова сила и вращение Земли — дают малые боковые смещения и при очень больших высотах могут немного влиять на путь.
- Негомогенность гравитационного поля (при больших размерах/расстояниях — приливные градиенты): отклонения очень малы, порядка $\Delta a\sim \frac{2g\Delta r}{R_{\oplus }}$.
- Электромагнитные силы (если тела заряжены или магнитны) и прочие локальные поля.
- Релятивистские эффекты — практически незначимы в обычных условиях.
Итого: в чистом вакууме (и при одинаковых начальных условиях) оба шара упадут одновременно; в атмосфере и в реальных условиях главным источником различий является сопротивление воздуха и связанные с ним параметры (масса/площадь/форма).