人人都能做的实验却暗藏玄机，这只“桶”功不可没！

牛顿在《数学自然哲学原理开篇》中提出了一个假设实验，就是著名的牛顿桶。

许多聪明人被这个实验的绝妙想法困住了不知不觉中，牛顿达到了目的，让你相信了他说的话:宇宙中存在一个绝对静止的空间

牛顿的桶，大家都可以练。

这个实验很简单，甚至每个人都可以自己尝试。

实验是这样的:用绳子挂一个装了一半水的桶，把桶按住不动，扭扭绳子，放开吊桶开始旋转，绳子的扭结逐渐松开，吊桶继续旋转，绳子反方向扭转伴随着水桶转得越来越慢，直到某一瞬间停止，水桶来回转动，以此类推

实验示意图

现象如此简单，却蕴含着深刻的道理这项实验涉及伟大的数学家，物理学家和哲学家莱布尼茨，马赫和爱因斯坦四百多年后的今天，人们仍在学习

牛顿是如何实现他的目标的为了论证绝对不动的空间是绝对存在的，可以选取两个特殊的时刻:一个时刻是当水桶开始旋转，水是静止的，水面相对于水桶和周围物体是平的，比如房屋，树木甚至遥远的星星，还有一个瞬间是当水桶转到绳子完全松开，水桶继续转的时候绳子反方向扭转当水桶最终静止时，此时此刻，桶内的水还在转动，水转得最快，水面往下沉，水相对于水桶和周围物体运动

牛顿得出了两个结论:

①水面相对于外界物体静止时是平的，相反，当它相对于外界物体运动时，水面是凹的，水面是平的还是凹的，关系到水是否相对于周围物体运动。

②水面是平的还是凹的，与水相对于水桶的运动无关。

当你接受牛顿的这两个结论时，牛顿又玩了一招。

他想象着把桶外的物体都拿走，这样桶就会在一个空的宇宙中旋转此时，没有可供参考的对象你如何判断水是流动的还是静止的牛顿认为有一种方法可以做到这一点，他可以通过观察水面是平还是凹来判断如果水面是平的，水是静止的，如果水面是凹陷的，那么水就是运动的，不需要周围的参照物到你接受牛顿的结论的时候，他的目的就已经达到了

牛顿似乎很容易实现他的目标，因为水面的平和凹是绝对的，不需要周围的物体来确定水是否运动这说明一定有一个绝对不动的空间，与有和无无关只要水相对于绝对空间不旋转，水面就是平的相反，如果水相对于绝对空间旋转，水面就会凹陷牛顿用他的水桶牵着你的鼻子走，逼着你顺着他的思路走，接受他的结论这个实验天衣无缝，从提出到现在持续了30多年没人能反驳这样，绝对空间就成了牛顿力学乃至经典物理学的重要基础

被质疑的牛顿桶

有哲学头脑的人，大多是爱思考，敢提问的人，所以哲学家坐不住第一个问题是由英国哲学家乔治·贝克莱提出的

1721年，他发现了牛顿桶实验的缺陷他认为，水面的凹陷是由于水是由周围的固定星系引起的，或者说是水相对于周围所有静止物体的旋转言下之意，如果把周围的一切都完全去掉，实验情况就不一样了

乔治·贝克莱

1883年，德国哲学家恩斯特·马赫也对此提出质疑他写道:牛顿的桶看起来很简单，好像水受到离心力的作用，与桶动不动无关但这个离心力其实是地球和周围所有恒星相互作用的结果如果桶壁做得很厚，没人能肯定地回答实验会是什么样

马赫明指出，水面之所以下沉，是因为水被周围的恒星拉走了，这类似于一种引力效应一旦周围没有恒星，这种引力就不存在了这时候不管水转不转，水面都会是平的当然，马赫的说法也值得怀疑不可能把桶外的东西都拿走，包括所有的星空，所以人们不确定是牛顿还是马赫但是马赫之前的论证可以充分说明牛顿的结论既不能被证明也不能被证伪，所以牛顿桶实验不能简单证明绝对空间的存在

恩斯特·马赫

马赫的高明之处在于他否定了牛顿无的假设，他对牛顿木桶现象的解释不依赖于绝对空间的存在更重要的是，他赋予了环绕星空以动力性质，可以对任何物体施加一种加速其运动的动力作用，而这种动力就是物体惯性的起源

周围的恒星对物体的吸引力不仅表现在旋转上，还表现在所有的加速运动上，比如启动，加速，转弯，减速甚至突然停止一个物体的质量越大，周围恒星给予的引力就越强由此推论，一个物体的惯性并不是它本身的性质

爱因斯坦受到马赫的启发，非常赞成马赫对牛顿的木桶实验的反驳马赫的思想启发他思考新的引力和物质惯性他不仅将马赫的思想融入到广义相对论的等效原理中，而且认为马赫的思想可以在地球环境下准确验证等效原理

现代版的牛顿桶

时至今日，牛顿的木桶提出已经300多年了，现代版的牛顿的木桶以全新的面貌再次出现在科学实验中。

现代版的牛顿桶实验是由英国物理学家埃弗雷特进行的，由美国国家航空航天局资助，美国斯坦福大学的研究团队共同进行的。

实验项目有两个，分别叫测地线漂移实验和惯性参考系拖动实验在这两个实验中，牛顿的桶被旋转的陀螺仪代替，而水面的平坦和凹陷被陀螺仪的旋转轴代替

为了提高精度，需要防止地面杂散物体的干扰陀螺仪放置在距离地面642公里的同步轨道运行的卫星上，陀螺仪置于超导状态，相对星空背景旋转根据陀螺仪的观测数据与理论计算数据的比较，验证了马赫的预测和广义相对论

埃弗雷特

这两个实验完成了牛顿想象中的实验，但远非牛顿桶那么简单它们包括空间技术，超导技术，遥测和遥感技术，自动化技术和于大成计算技术从1963年到2008年，它们总共花费了7.5亿美元，成为美国宇航局支持时间最长的实验项目这是一项艰巨而乏味的工作45年来，经过两代人的努力，现代版的牛顿桶实验终于在2005年8月14日完成了数据采集

经过五年多的数据分析和计算，实验结果于2011年发出实验证实了马赫最初的预言:一旦没有外界干扰，陀螺仪的旋转轴将一直指向星空背景的某个方向

45年，耗费了大量的人力物力，就为了证明马赫的预言。

其实证明了一个道理:物理规律的正确性并不需要绝对空间的存在此外，当附近有大质量物体时，实验中观察到的陀螺轴会有微小的偏差，而这个偏差值恰好支持了爱因斯坦的广义相对论，这绝不是普通实验可以完成的

三百多年前，牛顿提出牛顿桶假想实验，意在论证绝对空间的存在，但没想到的是一石激起千层浪。

他的假设引发了物理学领域，甚至数学和哲学领域的持久争论争论的结果使人们摆脱了绝对空间的束缚，引发了爱因斯坦新引力理论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

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