牛顿著名的水桶实验 [复制链接]

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牛顿曾经做过一个非常著名的水桶实验，以证明绝对空间的存在，实验是非常简单的，就是用绳子吊着一桶水，然后将水桶旋转扭到最大，之后放开水桶，水桶在扭力的作用下开始旋转，刚开始的时候，水面是一个平面，随着水桶的旋转，水面逐渐凹陷，形成一个旋涡。那么水面的运动是一种什么运动？牛顿说，水面的旋转运动是一种绝对运动，是相对于绝对空间的绝对运动。以此证明存在绝对空间，而且相对于绝对空间的运动即是绝对运动。

在牛顿看来，我们的宇宙中存在一个绝对的空间（后来被称作以太），如果我们的运动是相对于这个绝对空间在运动，那么这个运动就是绝对运动。一般来说，匀速直线运动被称作惯性系的相对运动，从物理学的观点来看，这样的运动是“伪运动”，不是“真运动”，这类似坐上船顺江直下，对于船上的人来说，自己是静止的，周围的山、房屋、树木是在运动的，而对于岸边的人来说，则认为自己才是静止的，船是在运动。

所以对于像匀速直线运动的惯性系来说，其实是无法判断到底谁在运动，基本属于我说你在动，你说我在动，但是对于非惯性系比如水桶实验，我们就比较容易能判断是否是真的运动，毕竟我们能观察到水面出现了漩涡。

对于坐船顺流而下的船以及岸上的观察者来说，运动并没有什么“异样”出现，江面没有出现漩涡，树木没有出现弯折，房子也没有发出声响，船上的人或者岸上的人都没有觉得眩晕等，一切如常。这与牛顿桶里面的水不同，桶里的水是实实在在发生了“异样”的变化：水面出现了凹陷，让人觉得这才是真正的运动，所以被称作绝对运动。

桶中水的旋转运动是一种圆周运动，圆周运动是有加速度的，所以有加速度的运动是一种真运动，因为这样的运动中会感受到力的存在，而且会有不寻常的现象出现，比如水中的漩涡。所以牛顿才能据此说，这样的运动是一种绝对的运动，既然运动都是相对于参照系的，那么这种绝对运动就是相对于宇宙中的绝对空间在运动。

惯性运动有明显的相对性，但是加速运动有相对性吗？如果水桶外面的观察者或者参照系围绕着水桶快速旋转，水面也应该出现中心旋涡，这样才能证明加速运动是相对的。但是让整个水桶外参照系（包括整个地面、星系和宇宙物质）做旋转当然无法实现，这样牛顿就能以此来证明水的旋转是相对绝对空间的绝对运动，不依赖水桶外的参照系。但是牛顿之后年的奥地利物理学家马赫（ErnstMach，-）的观点是，如果以水桶为参照系，整个宇宙物质都围绕水桶旋转，水面也能出现旋涡，没有绝对空间，也没有绝对运动。

水桶这个实验说起来有点费劲，我们可以再说一个简单点的，比如当一个乘客坐在火车上，当火车开动加速向前的时候，外面的参照物比如树木、楼房也都在加速往后运动，而乘客在火车加速的时候会感觉到后背受力，有力量往前推，乘客随着火车加速往前运动，这个加速运动就是牛顿说的相对绝对空间的绝对运动。如果加速运动有相对性的话，那么当火车不动，乘客坐在椅子上也不动，而外面的参照物如树木、楼房等加速后移，在这种情况下，乘客坐在椅子上也能感受到往前的推力。

当火车启动加速，最终开始匀速直线运动的时候，外面的参照物也匀速直线往后运动，这个时候就是处于惯性运动中，这样的运动是显而易见的相对性运动，无法分辨到底谁在运动，乘客可以认为我是静止的，是外面的树木在往后运动，而外面的人认为火车是运动的，自己是静止的。为什么这么说呢？因为双方都没有感受到“力”的存在，这与加速运动完全不同。

爱因斯坦对此深受启发，认为没有绝对空间，也没有绝对运动，这对爱因斯坦创立广义相对论有很大的启发作用，包括加速运动也是相对的。惯性系的相对性其实是无法判断到底谁在运动，基本属于我说你在动，你说我在动，但是非惯性系比如水桶实验，我们就比较容易能判断是否是在运动。

在水桶实验中，假定我们变成蚁人，船也变得很小很小，我们和船都在水桶里，也假定水面开阔，看不到桶的边缘（或者把捅的颜色涂成与水相似的颜色），当水面开始转动的时候，我们也随着水面一起转动，由于是和水面一起转动，开始我们能感觉到加速，但逐渐地我们就感觉不到有圆周运动，只是慢慢发现水面不知为何，竟然出现了漩涡，这时候我们就能判断，水面确实是在做圆周加速运动，虽然在小船上的我们感觉不到水面在动，但是从水面产生的漩涡就能判断有加速运动，而这样的运动相对于哪个参考系呢？显然不是桶壁，牛顿的说法就是相对于一个绝对空间在转动。

我们再假如宇航员坐着飞船来到宇宙深处，四周漆黑一片，宇航员怀抱一桶水被自己的同事推出舱门，并且让这位宇航员开始做旋转运动，而飞船则迅速离去，逐渐消失在宇航员的视野中。当飞船还在的时候，宇航员可以以飞船作为参考系，能判断出自己在做圆周运动，转几圈还有要吐的感觉，但是当飞船离去后，四周一片漆黑，这时的宇航员就判断不出自己是否在旋转，以为自己已经不再旋转了，要吐的感觉也随即消失了。也就是说这时的宇航员已经无法知道自己是否在旋转了，除非他看一下怀中的那桶水，当然由于失重的原因，水不能像在地球上有重力环境中出现漩涡，但是由于旋转会发生明显的形变，肯定不同于在飞船中水的正常形状，宇航员才能判断出自己在做圆周运动（圆周运动就是加速运动，有加速度）。所以说，加速运动给人的“感觉”是真的运动，而惯性运动（匀速直线运动）仅仅是一种主观感觉上的“运动”，不是“真运动”。

广义相对论的“广义相对性”，其实就是指的除了匀速直线运动，其它运动包括加速运动，也都是相对的。狭义相对性，则仅限于惯性系匀速直线运动。按照广义相对论，在牛顿的水桶实验里，如果水不动，宇宙中的其它参考系物体包括观察者、星系、地面围绕着水旋转的话，水面也应该能出现凹面，因为如果整个宇宙开始旋转的话，按照广义相对论的公式，必然对时空曲率造成很大的改变，而身处时空中的水也必然受此影响而转动起来，时空有了动力量，这也被称作时空的拖曳效应。

也就是说，如果宇宙中的一些巨大星体或者星系发生了一些变化，哪怕是比较遥远的，大家也不要认为与我们地球上的人无关，因为所有一切都是处于同一个时空中，星空的变化也会影响到我们，甚至是一桶水。这与我们古人所说的“天人合一”的理念也是契合的。