牛頓在《數(shù)學(xué)的自然哲學(xué)原理》的開篇中，提出了一個假想實(shí)驗(yàn)，這就是著名的“牛頓桶”。
不少聰明人被這個實(shí)驗(yàn)的奇妙構(gòu)思“套”了進(jìn)去，在不知不覺中，牛頓達(dá)到了他的目的，使你相信他所說的：在宇宙里存在著一個“絕對不動的空間”。
人人可以動手實(shí)踐的“牛頓桶”
這個實(shí)驗(yàn)非常簡單，甚至每個人都可以親手去做做試試。
實(shí)驗(yàn)是這樣的：把一只裝了一半水的桶用繩子吊起來，先按住桶不動，把繩子搓上麻花以后松手，桶開始旋轉(zhuǎn)，繩子的麻花結(jié)漸漸松開，水桶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，繩子反向絞起了麻花，隨著水桶越轉(zhuǎn)越慢，直到某一瞬間停止，水桶再反向轉(zhuǎn)起來，如此這般，來回轉(zhuǎn)動不止。
現(xiàn)象如此簡單，內(nèi)中卻蘊(yùn)含著非常深刻的道理。這個實(shí)驗(yàn)把大數(shù)學(xué)家、大物理學(xué)家和大哲學(xué)家萊布尼茨、馬赫、愛因斯坦都卷了進(jìn)來。四百多年后的今天，人們?nèi)栽谘芯俊?/p>
牛頓是如何達(dá)到他的目的的呢？為了論證“絕對不動的空間”是“絕對”存在的，可以選出兩個特殊的時刻：一個時刻是水桶剛開始轉(zhuǎn)動時，相對桶及周圍的物體，如房子、樹木甚至更遠(yuǎn)的星體，水處于靜止，水面是平的；另一個時刻是水桶轉(zhuǎn)到繩子完全松開，水桶繼續(xù)轉(zhuǎn)繩子又反向絞起了麻花，水桶最后靜止時，這一時刻，水桶靜止，桶里的水還在轉(zhuǎn)，水轉(zhuǎn)動最快，水面向下凹陷，水相對桶及周圍物體是運(yùn)動的。
牛頓得出兩個結(jié)論：
①相對外面物體不動時，水面是平的，反之，相對外面物體運(yùn)動時，水面是凹陷的，水面是平還是凹陷，與水相對周圍物體是否運(yùn)動有關(guān)。
②水面是平還是凹陷與水相對桶的運(yùn)動無關(guān)。
當(dāng)你接受了牛頓的這兩個結(jié)論之后，牛頓又“玩”出另一個把戲。
他設(shè)想把桶外面的所有物體全拿走，使水桶在一個“空無所有”的宇宙里旋轉(zhuǎn)，此時沒有任何物體可以做參考，你該如何判斷水在動，還是在靜止著呢？牛頓認(rèn)為這“有辦法”，只要觀測水面是“平”的還是“凹”的即可判斷。若水面是平的，水則是靜止的；若水面是凹陷的，水就是在動，用不著周圍的參照物。等你接受了牛頓的這個結(jié)論時，他的目的就已經(jīng)達(dá)到了。
牛頓達(dá)到目的似乎輕而易舉，因?yàn)樗娴摹捌健迸c“凹”是“絕對的”，確定水是否運(yùn)動也就無須周圍的物體。這表明，一定存在一個“絕對不動的空間”，它與“有什么東西”和“沒有什么東西”沒有關(guān)系，只要水相對這個“絕對空間”無轉(zhuǎn)動，水面就是平的，相反，如果水相對“絕對空間”是轉(zhuǎn)動的，水面便凹陷了下去。牛頓用他的“水桶”牽著你的鼻子，讓你不得不順著他的思路，接受他的結(jié)論。這個實(shí)驗(yàn)實(shí)在是天衣無縫，提出之后持續(xù)了三十多年，沒有人能去反駁它。就這樣，“絕對空間”成為牛頓力學(xué)，乃至經(jīng)典物理學(xué)的重要基礎(chǔ)。
被質(zhì)疑的“牛頓桶”
具有哲學(xué)頭腦的人，大多是愛動腦筋、敢于刨根問底的人，哲學(xué)家坐不住了。首先提出質(zhì)疑的是英國哲學(xué)家喬治?伯克利。
1721 年，他發(fā)現(xiàn)了“牛頓桶”實(shí)驗(yàn)的破綻。他認(rèn)為，水面的“凹陷”是由于“水相對周圍固定星系造成的”，或者說“是水相對周圍所有不動的物體”轉(zhuǎn)動的結(jié)果，言外之意，如果把周圍所有東西完全移開，實(shí)驗(yàn)情況就不是這樣了。
1883 年，德國哲學(xué)家恩斯特?馬赫也提出了質(zhì)疑，他寫道：“牛頓的水桶看起來簡單，似乎水是受到的離心力作用，與水桶的運(yùn)動還是不運(yùn)動沒有關(guān)系。但是這個離心力實(shí)際上是地球和周圍所有星體相互作用的結(jié)果。誰也不敢肯定地回答，如果把水桶壁做得很厚，實(shí)驗(yàn)將會是什么樣的?！?/p>
馬赫明指出，水面之所以凹陷下去，是因?yàn)樗艿搅酥車求w“拽引”的結(jié)果，這種作用類似一種“引力效應(yīng)”，一旦周圍沒有了星體，這個引力就不存在，這時，無論水轉(zhuǎn)還是不轉(zhuǎn)，水面都將是平的。當(dāng)然，馬赫的說法也令人存疑，把桶外面一切東西，包括全部星空拿走是不可能實(shí)現(xiàn)的，所以人們不敢確定是牛頓對還是馬赫對。但是馬赫前面的論點(diǎn)卻能充分說明，牛頓的結(jié)論既不可證明，也不可能證偽，所以“牛頓桶”實(shí)驗(yàn)不可能這么簡單地證明存在有“絕對空間”。
馬赫的高明之處，就在于他否定了牛頓“空無所有”的“假想”，他對牛頓桶現(xiàn)象的解釋并不依賴于“絕對空間”的存在。更重要的是，他賦予“周圍的星空”以動力學(xué)性質(zhì)，它們可以對任何加速運(yùn)動的物體施以動力作用，而這一動力正是物體具有“慣性”的本源。
在日常生活中，馬赫所說的“周圍星空對旋轉(zhuǎn)物施以動力”的現(xiàn)象經(jīng)?？梢钥吹?，例如旋轉(zhuǎn)木馬、離心甩干機(jī)、從旋轉(zhuǎn)雨傘上飛出的雨滴、飛旋陀螺甚至龍卷風(fēng)等，這些離心現(xiàn)象都是“周圍星空施以引力”的結(jié)果，甚至地球上的科里奧利力也來源于此。
“周圍星空對物體的引力”不僅表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)上，也表現(xiàn)在一切加速運(yùn)動上，如啟動、加速、拐彎、減速甚至突然停止等。物體的質(zhì)量越大，周圍星空給予的“引力”也就越強(qiáng)，以此推演，物體的“慣性”并非它自身的性質(zhì)。由此，馬赫揭露了“慣性質(zhì)量”與“引力質(zhì)量”一致性的源頭所在。
愛因斯坦受到馬赫的啟發(fā)，他非常贊成馬赫對“牛頓桶”實(shí)驗(yàn)的反駁，馬赫的思想啟發(fā)了他對新引力與物質(zhì)慣性的思考。他不僅把馬赫的思想融入到廣義相對論等效原理之中，而且確信，利用馬赫的思想一定可以在地球環(huán)境下，對等效性原理做出精確的驗(yàn)證。
現(xiàn)代版“牛頓桶”
至今，“牛頓桶”的提出已經(jīng)有三百多年了，現(xiàn)代版的“牛頓桶”以新的面貌在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中再度出現(xiàn)。
現(xiàn)代版的“牛頓桶”實(shí)驗(yàn)由英國物理學(xué)家埃沃瑞特所主持，在美國國家航空航天局（NASA）的資助下，聯(lián)合美國斯坦福大學(xué)研究組共同開展。
這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有兩個，分別叫作“測地漂移實(shí)驗(yàn)”和“慣性參照系拖拽”實(shí)驗(yàn)。這兩個實(shí)驗(yàn)都以旋轉(zhuǎn)的“陀螺儀”代替了“牛頓桶”，而水面的“平”與“凹”用陀螺儀的“轉(zhuǎn)軸方向”所代替。
為提高精度，需防止地面雜散物體的干擾，陀螺儀被放置在離地面 642 千米高度沿同步軌道運(yùn)行的衛(wèi)星上，并使陀螺儀置于超導(dǎo)條件下，相對星空背景轉(zhuǎn)動，根據(jù)對陀螺儀的觀測數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證馬赫的預(yù)言和廣義相對論理論。
這兩個實(shí)驗(yàn)完成了牛頓的假想實(shí)驗(yàn)，但遠(yuǎn)非“牛頓桶”那么簡單，它集航天技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、遙測與遙感技術(shù)、自動化技術(shù)與計算技術(shù)于大成，從 1963 年到 2008 年，在長達(dá) 45 年時間里，共耗資 7 億 5 千萬美元，成為美國國家航空航天局支持時間最長的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這是一場艱苦卓絕也是令人乏味的工作。在長達(dá) 45 年的時間內(nèi)，歷經(jīng)兩代人的努力，現(xiàn)代版的“牛頓桶實(shí)驗(yàn)”終于在 2005 年 8 月 14 日這一天完成數(shù)據(jù)的采集。
此后，又歷經(jīng)長達(dá) 5 年多的數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算，于 2011 年寄出實(shí)驗(yàn)成果。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了馬赫當(dāng)初的預(yù)言：“一旦沒有外界干擾，陀螺儀的轉(zhuǎn)軸將總是指向星空背景的某一個方向不變?！?/p>
時間長達(dá) 45 年，動用大量人力物力，只是為了證明馬赫的預(yù)言嗎？
實(shí)則不然，它證明了一個道理：物理規(guī)律的正確性，無須絕對空間的存在。此外，當(dāng)附近有質(zhì)量大的物體出現(xiàn)時，實(shí)驗(yàn)觀測到的陀螺儀轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)微小的偏差，而這一偏差值，恰好支持了愛因斯坦的廣義相對論的理論，這絕非一般實(shí)驗(yàn)所能完成的。
三百多年前，牛頓提出了 “牛頓桶”假想實(shí)驗(yàn)，本意是要論證“絕對空間”的存在，但他沒有想到的是，“一石激起千層浪”。
他的假想引發(fā)了物理學(xué)界甚至數(shù)學(xué)和哲學(xué)界的持久爭論，爭論的結(jié)果反而使人們擺脫了“絕對空間”的束縛，更觸發(fā)了愛因斯坦新引力論思想的形成?！芭ｎD桶”不僅沒有支持牛頓的假設(shè)，反而為后人提供了檢驗(yàn)廣義相對論的實(shí)驗(yàn)手段。人人能玩的“牛頓桶”中大有玄機(jī)，這只“桶”功不可沒！
本文來自微信公眾號：原點(diǎn)閱讀 （ID：tupydread），作者：魏鳳文 武軼，編輯：張潤昕
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