玩转牛顿的科学小实验(转了三百多年的牛顿桶)

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”。

玩转牛顿的科学小实验(转了三百多年的牛顿桶)(1)

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。

玩转牛顿的科学小实验(转了三百多年的牛顿桶)(2)

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。

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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”。

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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。

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龙卷风

“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。

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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”。

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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

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