这是一个困扰物理学家300年的实验：牛顿水桶实验！

这是困扰物理学家近三百年的一个实验，一个定义了绝对空间的实验，即便物理学家对它的结果很不满意，但却一直无法反驳。

这个实验就是牛顿的水桶实验。

一个简单的水桶是怎么困扰物理学家300年的，它真的有那么复杂吗？

这期就给大家详细聊聊。

惯性系

17世纪牛顿在创立了力学体系之后，他发现了一个致命的缺失环节，就是他的体系需要一个绝对的参考系才会成立。

所以为了给世人证明绝对参考系的存在，他提出了水桶实验。

而实验的原理也很简单，就是通过观察水的运动。

那要怎么观察呢？

牛顿说通过比较。

当我们提到运动时，大家首先会想到什么？

是不是参照物。

不错，有了参照物再去讨论运动才有意义，因为选的参照物不同，我们所定义的运动结果就不同。

比如火车内的人和火车外的人，他们两个的视角看到火车内物体的状态就是不同的结果。

一个看到的是静止，一个看到的是运动。

所以很明显，物体的运动状态是要通过与另一个物体的比较才会清晰。

也就是相对运动。

当然这是除过具有加速状态的运动之外。

加速运动呢，我们在不需要比较的情况下就能知晓它的状态，比如加速和减速时身体会发生倾斜。

那么顺着这个思路，牛顿描述了这么一个场景。

水桶内的旋转

一个装着水的水桶用绳子吊起来，旋转它，在最开始的阶段桶开始旋转，但水面是平坦的，之后随着桶的旋转，摩擦力也带动水旋转，这时水面开始出现凹陷。

这个时候以桶作为参照物我们会发现一个现象：

就是在最开始的时候，桶旋转但水没有立即旋转，所以它们两个这时存在相对运动，但水面却是平坦光洁；而之后，当桶带动水旋转并与桶的速度相同时，它们两个这时不存在相对运动，但水面是凹陷。

也就是，桶和水有相对运动时，水面是平坦的；桶与水没有相对运动时，水面反而存在凹陷。

再试想一下，把这桶水放到没有任何物体的虚无空间会有什么结果呢，当然，在没有引力的情况下水的旋转和地球不一样。

所以牛顿以被绳子绑着的两块石头来描述，石头旋转时绳子会绷紧，那么在没有一个参照物的虚空，绳子绷紧表明它正在受惯性力的影响，所以它在旋转，可是这个时候，它在相对于谁在旋转。

我们无法找到一个参照，而牛顿认为，这时的它，就是相对于空间本身在旋转。

这个空间就是他所说的绝对空间。

水桶实验就是绝对空间存在最好的证明。

在最开始时，水相对于桶有运动，但相对于绝对空间没有运动，所以水面平坦；之后桶带动了水相对于绝对空间运动，所以水面存在凹陷。

绝对空间

绝对空间的提出，让运动有了一个绝对的参照系。

也就是，物体真实的运动是相对于绝对空间的运动，只有相对于绝对空间有运动，它才能称的上真正的运动。只有相对于绝对空间静止，它才是真正的静止。

但，绝对空间是什么。

它可以被测量，又或者我们可以感知的到吗。

牛顿并没有详细的描述。

当提到实在的物体，比如车、人、风时，我们的脑海立马就可以知道这些物体具体的属性。

但当提到空间时，脑海一片空白。

我们想象不到它是什么。

所以用这种虚无缥缈、看不见、摸不着又无法感知的物体去定义物理学中最基本又最重要的一个现象--运动时。

这对于大多数物理学家来说，实在无法接受。

但他们又受困于水桶实验带来的困扰。

所以即便不认同，却又无法打破。

牛顿的水桶实验就这样一直困扰着物理学界。

直到两百年后。

马赫原理

1883年马赫在他的著作《力学科学》中提出了一个观点。

现在我们也常把这个观点称为马赫原理。

理解马赫原理的话，我们再回到牛顿的水桶实验。

牛顿水桶实验的问题根本是：水相对于绝对空间旋转水面就会凹陷。

但马赫认为，水面之所以会凹陷是因为它受力的影响，而这个力是来自其它物质，比如地球、地球之外其它的恒星，而当我们摒弃这些物质时，这些力也就会消失，水面也就不再凹陷。

所以，水面旋转凹陷是相对于宇宙所有物质的旋转，当没有这些物质时它也就不存在凹陷，那么，旋转与不旋转这时我们已无法感知，

所以这时硬要说它相对于谁在旋转的话，这本身就是一个没有意义的话题。

这是百年来第一次撼动牛顿绝对空间的思维。

尽管马赫的想法也存在着一些无法说清的细节，比如，遥远的群星是如何影响水面凹陷的，马赫没有说明。

但也不影响它（马赫原理）对物理学家的启迪。

因为它让物理学家看到了一种新的可能，一种可以完全抛弃虚无缥缈绝对空间的可能。

这就像是照亮黑夜的灯塔，指引着探索新的方向。

这在某种程度上对爱因斯坦产生了深远的影响。