人人都能做的实验却暗藏玄机，这只“桶”功不可没！

 本文授权转载自原点阅读（ID：tupydread），作者：科学史上的365天

牛顿在《数学的自然哲学原理》的开篇中，提出了一个假想实验，这就是著名的“牛顿桶”。不少聪明人被这个实验的奇妙构思“套”了进去，在不知不觉中，牛顿达到了他的目的，使你相信他所说的：在宇宙里存在着一个“绝对不动的空间”。牛顿
人人可以动手实践的“牛顿桶”这个实验非常简单，甚至每个人都可以亲手去做做试试。实验是这样的：把一只装了一半水的桶用绳子吊起来，先按住桶不动，把绳子搓上麻花以后松手，桶开始旋转，绳子的麻花结渐渐松开，水桶继续旋转，绳子反向绞起了麻花，随着水桶越转越慢，直到某一瞬间停止，水桶再反向转起来，如此这般，来回转动不止。实验示意图现象如此简单，内中却蕴含着非常深刻的道理。这个实验把大数学家、大物理学家和大哲学家莱布尼茨、马赫、爱因斯坦都卷了进来。四百多年后的今天，人们仍在研究。牛顿是如何达到他的目的的呢？为了论证“绝对不动的空间”是“绝对”存在的，可以选出两个特殊的时刻：一个时刻是水桶刚开始转动时，相对桶及周围的物体，如房子、树木甚至更远的星体，水处于静止，水面是平的所示；另一个时刻是水桶转到绳子完全松开，水桶继续转绳子又反向绞起了麻花，水桶最后静止时，这一时刻，水桶静止，桶里的水还在转，水转动最快，水面向下凹陷，水相对桶及周围物体是运动的。牛顿得出两个结论：①相对外面物体不动时，水面是平的，反之，相对外面物体运动时，水面是凹陷的，水面是平还是凹陷，与水相对周围物体是否运动有关。②水面是平还是凹陷与水相对桶的运动无关。当你接受了牛顿的这两个结论之后，牛顿又“玩”出另一个把戏。他设想把桶外面的所有物体全拿走，使水桶在一个“空无所有”的宇宙里旋转，此时没有任何物体可以做参考，你该如何判断水在动，还是在静止着呢？牛顿认为这“有办法”，只要观测水面是“平”的还是“凹”的即可判断。若水面是平的，水则是静止的；若水面是凹陷的，水就是在动，用不着周围的参照物。等你接受了牛顿的这个结论时，他的目的就已经达到了。牛顿达到目的似乎轻而易举，因为水面的“平”与“凹”是“绝对的”，确定水是否运动也就无须周围的物体。这表明，一定存在一个“绝对不动的空间”，它与“有什么东西”和“没有什么东西”没有关系，只要水相对这个“绝对空间”无转动，水面就是平的，相反，如果水相对“绝对空间”是转动的，水面便凹陷了下去。牛顿用他的“水桶”牵着你的鼻子，让你不得不顺着他的思路，接受他的结论。这个实验实在是天衣无缝，提出之后持续了三十多年，没有人能去反驳它。就这样，“绝对空间”成为牛顿力学，乃至经典物理学的重要基础。
被质疑的“牛顿桶”具有哲学头脑的人，大多是爱动脑筋、敢于刨根问底的人，哲学家坐不住了。首先提出质疑的是英国哲学家乔治·伯克利。1721年，他发现了“牛顿桶”实验的破绽。他认为，水面的“凹陷”是由于“水相对周围固定星系造成的”，或者说“是水相对周围所有不动的物体”转动的结果，言外之意，如果把周围所有东西完全移开，实验情况就不是这样了。乔治·伯克利1883年，德国哲学家恩斯特·马赫也提出了质疑，他写道：“牛顿的水桶看起来简单，似乎水是受到的离心力作用，与水桶的运动还是不运动没有关系。但是这个离心力实际上是地球和周围所有星体相互作用的结果。谁也不敢肯定地回答，如果把水桶壁做得很厚，实验将会是什么样的。”马赫明指出，水面之所以凹陷下去，是因为水受到了周围星体“拽引”的结果，这种作用类似一种“引力效应”，一旦周围没有了星体，这个引力就不存在，这时，无论水转还是不转，水面都将是平的。当然，马赫的说法也令人存疑，把桶外面一切东西，包括全部星空拿走是不可能实现的，所以人们不敢确定是牛顿对还是马赫对。但是马赫前面的论点却能充分说明，牛顿的结论既不可证明，也不可能证伪，所以“牛顿桶”实验不可能这么简单地证明存在有“绝对空间”。恩斯特·马赫马赫的高明之处，就在于他否定了牛顿“空无所有”的“假想”，他对牛顿桶现象的解释并不依赖于“绝对空间”的存在。更重要的是，他赋予“周围的星空”以动力学性质，它们可以对任何加速运动的物体施以动力作用，而这一动力正是物体具有“惯性”的本源。在日常生活中，马赫所说的“周围星空对旋转物施以动力”的现象经常可以看到，例如旋转木马、离心甩干机、从旋转雨伞上飞出的雨滴、飞旋陀螺甚至龙卷风等，这些离心现象都是“周围星空施以引力”的结果，甚至地球上的科里奥利力也来源于此。

龙卷风 图源 pexls
“周围星空对物体的引力”不仅表现在旋转上，也表现在一切加速运动上，如启动、加速、拐弯、减速甚至突然停止等。物体的质量越大，周围星空给予的“引力”也就越强，以此推演，物体的“惯性”并非它自身的性质。由此，马赫揭露了“惯性质量”与“引力质量”一致性的源头所在。爱因斯坦受到马赫的启发，他非常赞成马赫对“牛顿桶”实验的反驳，马赫的思想启发了他对新引力与物质惯性的思考。他不仅把马赫的思想融入到广义相对论等效原理之中，而且确信，利用马赫的思想一定可以在地球环境下，对等效性原理做出精确的验证。
现代版“牛顿桶”至今，“牛顿桶”的提出已经有三百多年了，现代版的“牛顿桶”以新的面貌在科学实验中再度出现。现代版的“牛顿桶”实验由英国物理学家埃沃瑞特所主持，在美国国家航空航天局（NASA）的资助下，联合美国斯坦福大学研究组共同开展。这一实验项目有两个，分别叫作“测地漂移实验”和“惯性参照系拖拽”实验。这两个实验都以旋转的“陀螺仪”代替了“牛顿桶”，而水面的“平”与“凹”用陀螺仪的“转轴方向”所代替。为提高精度，需防止地面杂散物体的干扰，陀螺仪被放置在离地面642千米高度沿同步轨道运行的卫星上，并使陀螺仪置于超导条件下，相对星空背景转动，根据对陀螺仪的观测数据与理论计算数据相比较，验证马赫的预言和广义相对论理论。埃沃瑞特这两个实验完成了牛顿的假想实验，但远非“牛顿桶”那么简单，它集航天技术、超导技术、遥测与遥感技术、自动化技术与计算技术于大成，从1963年到2008年，在长达45年时间里，共耗资7亿5千万美元，成为美国国家航空航天局支持时间最长的实验项目。这是一场艰苦卓绝也是令人乏味的工作。在长达45年的时间内，历经两代人的努力，现代版的“牛顿桶实验”终于在2005年8月14日这一天完成数据的采集。此后，又历经长达5年多的数据分析和运算，于2011年寄出实验成果。实验证实了马赫当初的预言：“一旦没有外界干扰，陀螺仪的转轴将总是指向星空背景的某一个方向不变。”时间长达45年，动用大量人力物力，只是为了证明马赫的预言吗？实则不然，它证明了一个道理：物理规律的正确性，无须绝对空间的存在。此外，当附近有质量大的物体出现时，实验观测到的陀螺仪转轴出现微小的偏差，而这一偏差值，恰好支持了爱因斯坦的广义相对论的理论，这绝非一般实验所能完成的。三百多年前，牛顿提出了 “牛顿桶”假想实验，本意是要论证“绝对空间”的存在，但他没有想到的是，“一石激起千层浪”。图源：《科学日历》 清华大学出版社他的假想引发了物理学界甚至数学和哲学界的持久争论，争论的结果反而使人们摆脱了“绝对空间”的束缚，更触发了爱因斯坦新引力论思想的形成。“牛顿桶”不仅没有支持牛顿的假设，反而为后人提供了检验广义相对论的实验手段。人人能玩的“牛顿桶”中大有玄机，这只“桶”功不可没！
来源：《科学史上的365天》,略有删改
作者：魏凤文 武轶编辑：张润昕

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编辑：了之

新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。