水桶實(shí)驗(yàn)是偉大的物理學(xué)家艾薩克·牛頓首次提出，用以證實(shí)他提出的絕對時(shí)空觀。三百年來，以馬赫（Ernst Mach）、愛因斯坦為代表的眾多物理學(xué)家對其進(jìn)行了分析與研究。由于馬赫在對水桶實(shí)驗(yàn)的論證中開創(chuàng)性地提出了馬赫原理（此名稱為愛因斯坦首次命名），并在愛因斯坦發(fā)展廣義相對論的初期起到了非常重要的指導(dǎo)作用，因此水桶實(shí)驗(yàn)在如今已成為了廣義相對論教科書開篇的思維實(shí)驗(yàn)。
左起：馬赫、牛頓、愛因斯坦
下面我們以既簡單又玄奧的水桶實(shí)驗(yàn)為主線，對牛頓的絕對時(shí)空觀及馬赫的相對時(shí)空觀做一個(gè)對比、分析。
水桶實(shí)驗(yàn)
牛頓首先設(shè)計(jì)了一個(gè)未裝滿水的水桶，在實(shí)驗(yàn)的開始先讓水桶勻速地水平旋轉(zhuǎn)起來，一開始桶內(nèi)的水面保持在一個(gè)平面上，在旋轉(zhuǎn)桶壁的帶動之下，水逐漸開始順著桶的方向旋轉(zhuǎn)起來，在經(jīng)過一小段時(shí)間后，水的旋轉(zhuǎn)速度將會與桶的速度相同。這時(shí)會觀察到一個(gè)現(xiàn)象，水面成為了一個(gè)中間凹進(jìn)、四周擠壓拔高的曲面（此時(shí)就算讓桶停止旋轉(zhuǎn)，水依舊會保持旋轉(zhuǎn)、水面同樣保持曲面形狀）。
水桶實(shí)驗(yàn)示意圖
離心力
在考察牛頓對水桶實(shí)驗(yàn)的分析之前，我們先來回顧一下加速參考系上離心力的概念。加速參考系指相對于慣性參考系做加速運(yùn)動的參考系，這里的加速運(yùn)動可以是速率的變化或者速度方向的變化。
例如，我們可以將地面視為一個(gè)慣性參考系，那么在高速公路上勻速直線行駛或者停在服務(wù)區(qū)的客車內(nèi)部就可以視為一個(gè)慣性參考系，而加速、減速或者過彎的客車內(nèi)部就只能視為一個(gè)加速參考系。
不論是在加速、減速或者過彎的客車內(nèi)部，我們總能夠感覺到明顯的離心力（慣性力），例如在加速時(shí)我們會被離心力往后摁在座椅的靠背上，減速時(shí)我們的身體會往前甩出去，過彎時(shí)我們的身體會朝彎心的相反方向傾倒。
與牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系的離心力是旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，例如我們在光滑的冰面上，雙臂自然下垂，當(dāng)我們開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙臂就會不由自主地張開成一定的角度，旋轉(zhuǎn)的速度越快，張開的角度則越大。
離心力圖解
牛頓對水桶實(shí)驗(yàn)的分析
牛頓當(dāng)時(shí)對水桶實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了一個(gè)疑問：是什么力量或者原因使水面形成一個(gè)四周拔高、中間凹陷的曲面？
牛頓很自然地想到了旋轉(zhuǎn)參考系所產(chǎn)生的離心力——如果水桶實(shí)驗(yàn)實(shí)在地面上進(jìn)行，那么水面相對于地面就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的加速參考系，自然水面就會受到離心力而產(chǎn)生變形。
牛頓接著想到，如果將水桶放置在宇宙真空中，并且想象宇宙空間中除了水桶與水之外沒有任何其它物質(zhì)，由于水面凹陷的原因與足夠遠(yuǎn)處的物質(zhì)對水面（水）的引力無關(guān)，那么在宇宙空間中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)依舊會看到同樣變形的水面。
可是這時(shí)候問題來了，因?yàn)樗c桶壁保持了相同的旋轉(zhuǎn)速度，因此水與桶壁之間可以認(rèn)為是相對靜止的或連為一體的，那么水面在宇宙“唯一”的物質(zhì)形成的參考系即“水-桶壁參考系”上是靜止的，怎么仍然會有離心力使水面四周向桶壁擠壓而中間凹陷成曲面？
牛頓為了解決這個(gè)矛盾，假定宇宙中存在著絕對靜止的空間，也就是我們經(jīng)常聽到的絕對空間——它是絕對靜止、剛性的，永恒不變的，可以作為任何其它物質(zhì)的完美的慣性參考系。那么在宇宙真空的水桶實(shí)驗(yàn)中，水雖然相對于桶壁是靜止的，但是相對于絕對空間則是旋轉(zhuǎn)的，水面變?yōu)樗闹馨胃咧虚g凹陷的曲面，就是其相對于絕對空間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而產(chǎn)生的離心力所導(dǎo)致的。
旋轉(zhuǎn)的水面
馬赫對牛頓時(shí)空觀的批判
馬赫在認(rèn)真分析了牛頓對水桶實(shí)驗(yàn)的解釋之后，認(rèn)定牛頓的分析是有嚴(yán)重缺陷的。馬赫認(rèn)為，宇宙中任何物質(zhì)的運(yùn)動，不論是勻速還是加速（包括旋轉(zhuǎn)），只有相對于其它物質(zhì)才能成立。在宇宙空間中若只存在水與水桶，則水與水桶的旋轉(zhuǎn)是沒有任何其它物質(zhì)可作為其參考系的，這樣的宇宙空間中水-水桶這個(gè)系統(tǒng)到底是不是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)壓根就是沒有辦法分辨的。
例如，在宇宙中只存在一個(gè)你，你在你的周圍看到的只是無盡的漆黑與空洞，這時(shí)你根本沒有辦法使自己旋轉(zhuǎn)起來，因?yàn)樾D(zhuǎn)與否你自己都不會有任何的感知，而你的雙臂也不會因“旋轉(zhuǎn)”而甩動起來。
宇宙中僅存的你在“旋轉(zhuǎn)”時(shí)沒有離心力
馬赫按著自己的邏輯分析，認(rèn)為運(yùn)動只有相對于其它物質(zhì)才有真實(shí)意義，在僅僅只包含水-水桶的宇宙空間中，水-水桶系統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)”是毫無意義的，是不存在參考物質(zhì)的，因此水面僅僅只能保持原有的平面狀態(tài)。而一旦遠(yuǎn)處的宇宙空間中，哪怕只出現(xiàn)了一顆星星，這時(shí)水面就會因具備運(yùn)動所必須的參考物質(zhì)而形成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的曲面。
以上的論證形成了馬赫原理，愛因斯坦本人也對馬赫原理有著非常高的評價(jià)。
牛頓、馬赫時(shí)空觀的對比
我們對比牛頓、馬赫兩人對水桶實(shí)驗(yàn)的不同解釋可以發(fā)現(xiàn)，馬赫的時(shí)空觀是更接近于相對性時(shí)空觀的，也是更符合邏輯的，因?yàn)?strong>馬赫將空間與物質(zhì)的存在緊密地聯(lián)系在了一起。而牛頓的解釋之所以不成立，就是因?yàn)樗囊磺姓撟C都是建立在僅僅包含水-水桶的宇宙空間中水桶實(shí)驗(yàn)仍會出現(xiàn)水面凹陷的前提上的，而這樣則必然會導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)與物質(zhì)的存在相互脫節(jié)的絕對空間。
相對性是時(shí)空的基本特性
從廣義相對論及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的角度來看，牛頓的絕對時(shí)空觀顯然是不正確的。當(dāng)然，偉大的水桶實(shí)驗(yàn)在三百年來引起的思考、論證中，也極大地推進(jìn)了我們對于空間的認(rèn)識，更是促進(jìn)了馬赫、愛因斯坦等人對相對性空間概念的發(fā)展。
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