人人都能做的实验却暗藏玄机，这只“桶”功不可没！

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”。

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。

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；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。

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”。

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。

“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。

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”。

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！

本文来自微信公众号：原点阅读 （ID：tupydread），作者：魏凤文 武轶，编辑：张润昕

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