為什麼牛頓認為水桶實驗,可以證明絕對空間?


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為什麼牛頓認為水桶實驗,可以證明絕對空間?

上回我們說到,在牛頓的力學體系當中,它必須有一個絕對靜止的參考系,這樣牛頓才能定義出什麼是慣性系,有了慣性系,牛頓的力學才能成立。

所以牛頓就想,什麼東西是靜止的?他往四周一看,沒錯,空間是靜止的,所以牛頓就在《原理》當中給空間下了這樣的定義:絕對的空間,其自身特性與一切外在事物無關,處處均勻,永不移動。

空間這東西虛無縹緲,看不見,摸不著的,你牛頓說它靜止就是靜止的?所以牛頓不僅給空間下了定義,而且還用了一個巧妙的實驗證明了絕對空間的存在。

這個實驗就是著名的水桶實驗。從一個簡單的水桶實驗中,我們就能看出,牛頓的智商可以完爆任何人。

現在400年已經過去了,牛頓的水桶依然在轉,我們還無法給出合理的答案。

好,我們開始正題。

牛頓說,現在有一個裝了半桶水的水桶,把它用軟繩吊起來,然後用手轉動水桶,把軟繩擰成麻花,在你還沒有放手的時候,水和水桶是相對靜止的,水面是平的。

當我們放開水桶的瞬間,水桶開始旋轉,緊接著水也開始跟著水桶轉動,就是圖中1和2的情形,當水和水桶相對無轉動的時候,也就是圖中3的情形,但這時的水面卻是下凹的。

這裡就出現了一個問題,水和水桶相對靜止的時候,水卻出現的兩種狀態,第一種水面是平的,也就是在我們沒放手的時候;

第二種水面是下凹的,也就是水和水桶同步旋轉的時候。這時牛頓就要問了,是什麼造成了水面的下凹,也就是水在相對於什麼在轉動?

如果轉動是相對的,且轉動是引起慣性離心力的原因,那水面的下凹,肯定跟水桶沒有關係,也就是說,並不是水相​​對於水桶的轉動,導致了水面的下凹。

因為當水和水桶靜止的時候,水面是下凹的。那麼水的轉動參照了誰?所以牛頓說,水是相對於絕對空間在轉動。

你可能會想,這不對啊,水也可能是相對於我在轉動,所以水面是下凹的!那牛頓就會說,如果你也跟著水桶轉起來呢?

你依然會看到水面是下凹的,所以水相對於你的轉動,並不是水面下凹的原因,那你可能會反駁牛頓,水在相對於地球轉動。

那牛頓接下來就會有一連串的問題等著你:那地球和月球的轉動相對於誰?如果是太陽,那地球和太陽的轉動又相對於誰?如果是銀河系的中心,那整個銀河系的轉動又相對於誰?

如果這樣一直追問下去,你總要找一個靜止不動的參考系,來作為0點坐標,定義絕對運動,而這個0點坐標就是那個絕對靜止的參考系。

牛頓會告訴你,這個絕對靜止的參考係就是絕對空間,一切物體都在相對於絕對空間運動,那麼以上一連串的問題都會解決。水直接相對於絕對空間運動,所以水面是下凹的,跟其他物體沒有任何關係。

甚至牛頓還認為,就算把宇宙中的所有物質都剔除掉,只留下一個裝了水的水桶,當水桶轉動的時候,水面也是下凹的。

在極端一點,乾脆水桶也不要了,就在絕對空間中留下一坨水,當水無轉動的時候,水就是完美的球形,當水相對於絕對空間轉動的時候,水就會變成橢球形。

這裡,牛頓表述了兩個重要的思想:首先,運動是絕對的!就算是在空無一物的空間中,你無法分辨出一個物體在做慣性運動,但是可以分辨出一個物體在做加速運動,比如剛才說轉動的水,它會變成橢球形。

其次,物體的慣性是自身的屬性,就算撤掉所有的物質,水的慣性依然存在,這是它自身的屬性。

看到了吧,牛頓的邏輯非常嚴謹,智商爆表,一般人很難在牛頓的水桶實驗中找到問題。但是一百多年後的奧地利物理學家恩斯特·馬赫就對牛頓的絕對空間、絕對運動,以及對慣性的解釋提出了批判。

1883年在《力學史評》中,馬赫指出,這個世界是相互關聯,相互影響的,速度是相對的,加速度也是相對的,沒有絕對空間,也沒有絕對運動。

牛頓所說的,在空無一物的宇宙中,既然無法分辨出慣性運動,那就說明慣性運動不存在,也進而表明了在一個空無一物的空間中,物體沒有慣性。

所以說,一坨在空無一物的空間中旋轉的水,不會變成橢球形,依然是球形,因為離開了其他物質,水就沒有了慣性。

因此馬赫跟牛頓的分歧,就上升到了另外一個更高的層面,物體的慣性是怎麼來的?

牛頓認為慣性是物體內在的屬性,不受其他事物的影響。而馬赫認為,物體的慣性來自於它和宇宙空間中所有物質的相互作用,說簡單點就是宇宙的恆星背景對物質的引力拖拽。

所以說,慣性其實也是一種實在的力, 是由引力引起的拖曳效應。比如,在一個黑暗的夜晚,你抬頭仰望星空,這是你看不到星空背景在相對於你旋轉,而且你的手臂也是自然的下垂狀態,現在你原地快速轉圈,當你看到星空背景快速旋轉的時候,你的手臂也會微微的張開。

我們知道手臂的張開是為慣性的原因,但是慣性怎麼來的?按照馬赫的解釋就是當你快速轉動起來的時候,宇宙中所有的物質對你手臂產生了引力拖拽,導致了你的手臂總是想保持原來的運動狀態。

如果把馬赫的解釋用在牛頓的水桶實驗上,就說明了水不是在相對於絕對空間在轉動,相對於絕對空間的轉動並不能引起水面下凹,而是水在相對於地球,相對於附近的所有星球,以及遙遠的星空背景旋轉,宇宙中所有物質的引力會對水產生拖拽,因此表現出了慣性。

地球的自轉也一樣,我們知道由於地球在自轉,所以導致了赤道隆起,那麼根據馬赫的解釋,我們還能得出這樣一個詭異的推論,哪怕地球從誕生之初就沒有自轉,而所有的星空背景快速的繞著地球轉動,那麼地球的赤道照樣會隆起。

馬赫對牛頓絕對空間,以及絕對運動的批評對愛因斯坦的啟發很大,但是馬赫說慣性的由來,是外部物質的引力作用,這件事還有待商榷。

不過,這也是目前對慣性起源最好的解釋了,在愛因斯坦廣義相對論出來以後,也支持了馬赫的說法,按照馬赫的解釋,一個物體的慣性來自於宇宙中所有的物質,最主要的還是遙遠的恆星背景,但是這個物體要是靠近一個星球,那麼這個星球的引力也會對這個物體的慣性產生影響。

比如按照馬赫的解釋,一個陀螺儀,如果在宇宙深空中轉動起來,在沒有外界干擾的情況下,那麼它的軸將指向星空背景的某一點,不會發生移動,因為導致陀螺儀轉動的慣性是整個星空背景提供的,這個影響各向同性的。

如果這個陀螺儀靠近一個星球的的話,那麼這個星球的引力作用將會影響陀螺儀的轉動慣性,導致陀螺儀的轉動軸相對於恆星背景發生轉動。

我們知道廣義相對論說,引力其實是質量引起的時空彎曲,也稱為測地線效應,而且還預言了慣性參考系拖拽現象,也就是一個快速轉動的星球,會對它周圍的時空產生拖拽的現象。

為了驗證以上的兩個預測,同時也為了檢驗廣義相對論的正確性和準確性,人們就在1976年和2004年分別發射了兩個衛星,引力探測器A和引力探測器B,上面都安裝了精度非常高的陀螺儀。

實驗結果表明陀螺儀的轉動軸確實發生了偏轉,雖然實驗精度不夠,但是也驗證了廣義相對論的預測,同時也間接地驗證了馬赫的說法。

但是這種驗證並不能讓所有人都信服,我們需要在更大的尺度空間上對物體的慣性質量進行測量,比如在銀河系的範圍,如果馬赫的說法正確,一個在銀河系中的物體的慣性質量,肯定和它在銀河係以外空間的慣性質量不同,而且差距很大。

不過,我們現在還沒有辦法在大尺度上測量,物體的慣性質量是不是各項異性的。

最後,我們對慣性做一個通俗的解釋,這個解釋也許不正確,但是這是目前的主流解釋。

遙遠的星系釋放出引力子,這些引力子在太空中旅行了數十億年,到達了地球。當你在這個充滿引力子的空間中加速的時候,你的身體就會與這些引力子發生更強的相互作用,所以你就具有了抵抗改變運動狀態的能力,表現出來的就是你有了慣性。

關於慣性,我們後面在講到廣義相對論的時候,還會再提到。

好了,今天的內容就說到這裡,下節課,我們將說牛頓力學和經典電磁學的矛盾。這是導致牛頓力學被狹義相對論取代的導火索。