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一个简单的水桶实验,引发了一场持续300多年的思考

2018-01-10 07:15 Dan Falk


试想一下,如果宇宙中的所有物质全都突然消失,那么空间还会存在吗?牛顿(Isaac Newton)曾经是这么认为的。在他的想象中,空间就像是《星际迷航》里的全息甲板,是一个用以投射模拟的人物、地点和事物的三维虚拟现实网格。正如牛顿在《原理》一书中所写道的那样:“绝对空间,就其本性来说,与任何外在的情况无关,始终保持着相似和不变。


这在日常生活中似乎很有说服力。我往东,你往西,我们可自由移动,但邮局、超市就停留在那里:参照系保持不变。但是,与牛顿同时代的德国数学家和哲学家莱布尼茨(Gottfried Leibniz)却不能接受绝对空间这一概念。他认为,一旦构成宇宙的各种物体物质全部消失,那么“空间”将不再具有任何意义。事实上,一旦你进入太空,莱布尼茨所持的观点就会变得更有说服力,因为你只能注意到你与太阳或者各种行星之间的距离,而这些物体彼此之间都在相互移动。莱布尼茨认为,唯一合理的结论就是空间是“相关的”:空间就是你和各种物体(以及它们之间的距离)间不断变化的距离,而非任何“绝对现实”。


反之,牛顿认为绝对空间是显而易见的。他用一个旋转的水桶实验证明了这一点。实验或许听起来很简单,但由水桶实验引发的对空间、时间、运动、加速度和力的争论持续至今。


在《原理》中,牛顿让我们想象一个用长绳吊起的注入水的水桶。将水桶顺时针转动,绳索卷起。那么松开的时候会发生什么呢?水桶会开始逆时针旋转,最初旋转缓慢,然后速度加快。与此同时,伴随着发生的还有一些别的事情:正如牛顿所写的,水的表面“将逐渐从中间下降,而沿桶壁上升形成凹面。”没过多久,水和水桶一起旋转。最终,桶速放慢,自旋反转;水的运动也变慢了,水面再次趋于平静。


高中时我们学过“离心力”这一概念。但究竟是什么导致了水在水桶壁的上升呢?据牛顿观察,绝不可能是因为水相对于水桶的运动,因为当水旋转得最快时,水的表面也是最扭曲的,水与水桶“同步”。当然,水桶和水也在相对于地球旋转,但这也不能解释水为何在桶壁上升,因为牛顿相信在空间内进行的一个类似实验也能产生同样的结果。


对牛顿来说,唯一能解释水桶实验的说法就是,水是相对于绝对空间旋转的这意味着,我们需要《原理》中的另一个重要概念——惯性。“惯性”指的是一个物体对其速度或运动方向的任何变化的抵抗。一旦水桶和水开始旋转,水桶的侧面就会阻止水进行直线移动,相反它会将水推向边缘。


但问题是,为什么物体会具有惯性呢?在十九世纪,奥地利物理学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)开始认为,任何有关运动和惯性的解释,包括旋转的水桶中水的运动,都只能通过宇宙中的其余物质来理解对马赫来说,地球本身可看作是一个放大了的水桶:自数十亿年前太阳系形成以来,地球一直在旋转,赤道“凸出”,就像旋转的水桶中的水一样。马赫想知道:假如地球的自转可以停止,而行星和恒星都绕着地球旋转,那么地球的赤道还会凸起吗?


根据牛顿的说法:没有旋转,就没有凸起。但是马赫意识到这个问题的答案取决于物体的惯性来自何处。如果这是宇宙中大部分物质造成的结果,那么地球赤道仍会凸起,因为其他行星和恒星绕它转动。马赫认为,运动不仅是相对的,而且惯性还是衡量物体与宇宙中其他物质之间关系的度量。如果马赫的观点正确,那么远远近近的星系和恒星在某种意义上是造成地球形状以及牛顿的旋转桶中的凹形水面的原因。但是马赫并没有说明这些遥远的恒星和星系是如何施展他们的影响力的,即使到了今天,我们也不清楚这一问题的答案。


也许,最热爱马赫的读者是年轻时的爱因斯坦(Albert Einstein),后来他努力将他所说的“马赫原理”(即一个物体的惯性依赖于整个宇宙中物质的总和)融入自己的理论——相对论


爱因斯坦的理论的巨大成功是对牛顿绝对空间的最后一击,但是如果没有绝对空间,我们将可能仍处于无力理解牛顿水桶的困扰中。物理学家格林(Brian Greene)在其著名的《宇宙的结构》一书中解释说,尽管爱因斯坦的理论破坏了牛顿的绝对空间,但它给了我们另外的洞见——一种被称为时空的四维结构,而这就是绝对的你和我可能对某场游行持续的时间长短、或者游行者所覆盖的距离感受不同,但是我们会为游行开始和结束之间所经历的时空距离达成一致。这是很难描绘的,因为我们不能在四个维度上直接看到,而是由爱因斯坦理论中的公式来确保的。


然而,这并不是格林关于此事的最后注解。物理学家现在怀疑“希格斯场”渗透了整个宇宙。尽管爱因斯坦的时空可以作为衡量加速度的参考系,但是希格斯场更好一些:通过对任何经过它的东西产生阻力,或许它可以解释为何物体具有惯性。


来自亚利桑那州立大学的物理学家戴维斯(Paul Davies)则有不同的想法,他认为,“空的”空间实际上是一种由短暂存在的亚原子粒子不断地出现和消失产生的沸腾泡沫。他说,这种量子“真空嬉戏”(vacuum frolic)可以作为绝对空间的替代品。


经过三个多世纪,由牛顿的水桶实验引发的对空间和运动、质量和惯性的思考仍然困扰着物理学家和哲学家。总之一定是有某样东西导致水在桶的边缘上升,但这个东西具体是时空的结构、是希格斯场、还是某种量子泡沫,仍有待我们去探索。



参考链接:

https://www.businessinsider.com.au/millennium-prize-problems-million-dollar-prize-2017-12

题图来源:123rf.com.cn正版图库


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果壳

看完文章之后的状态......(真的在认真思考)

 
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