牛顿用“水桶实验”究竟是为了证明什么？.docx

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1、牛顿用“水桶实验”究竟是为了证明什么?费邦镜 feibangj i ng163. com 2022/02/18目录摘要引言三、U!五、5.1什么叫做“参考系”？什么叫做“特选参考系”？“水桶实验”证明了 “全部力学参照绝对空间”吗？为什么1885年L Lange要发明出一个“惯性系”？为什么爱因斯坦从59岁开始致力于否定“惯性系” ?“牛顿水桶实验”的“参考系”究竟是什么？“地球引力场”能够成为水桶实验的“参考系”吗？5.2宇宙中有无数“引力场”，牛顿力学参照的是哪一个？六、牛顿用水桶实验就是为了证明“绝对运动”的存在;且“绝对运动”的参照物是“绝对处所”！参考文献摘要本文首先介绍了 “牛顿水

2、桶实验工主流物理学家对该实验的认识几乎是一致的一一生顿用“水桶实验”是为了证明“绝对空间”的存在；牛顿使全部力学参照“绝对空间”。本文指出，这是对“水桶实验”的误解！正因为这个误解，才导致了牛顿定律对“惯性系”的需要！本文揭示，1938年爱因斯坦已论证了 “惯性系”只是一个循环定义的虚构；这让牛顿定律很尴尬;正是为了摆脱这个尴尬，教科书给出了一个解释：根据观察和实验，地球、地心-恒星坐标系、日心-恒星坐标系都是相当精确的“惯性系”；但这个解释却无法自洽一一因为这三者即不平权,也非相互作匀速直线运动。本文着重论证了 一一牛顿定律的参考系,既非“绝对空间”，也非“惯性系”，而是“引力场”！关键词：

3、水桶实验，绝对运动，参考系，处所，绝对空间，惯性系（可到国家科技图书文献中心的【预印本】-【自然科学】一【物理学】栏目，免费下载本文的电子文档。https:preprint.nstl.H ）引言牛顿在自然哲学之数学原理的开头就详尽地描述了一个“水桶实验”一一用旋紧的长绳悬挂一个装水的桶，起初桶和水都不转，水面是平的，然后放手让桶随着长绳的松劲而转动，不久“水开始明显地旋转,一点一点地离开中间，并沿桶壁上升，形成一个凹形，而且旋转越快，水上升得越高水的上升表明它有离开转动轴的倾向，而水的真实和绝对的转动,在此与其相对运动直接矛盾。当水在桶中的相对运动最大时 未沿桶壁上升 但在那之后，水的相对运动

4、减慢，水沿桶壁上升因此，水的这种倾向并不取决于水相对于其围物体的移动:生顿用“水桶实验”究竟想证明什么呢？似乎不太明确。1883年，马赫对“水桶实验”进行了影响深远的批判:“没有一个人有能力断定关于绝对空间和绝对运动的东西通过旋转水桶讨论，他牛顿确信能够证明绝对运动绝对运动是一种毫无内容的、不能在科学中使用的概念牛顿使全部力学参照绝对空间”;2受马赫影响,爱因斯坦也认为:牛顿“已经认识到,可观察的几何量和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点。因此还必须有另一种决定运动的东西。他认为，这种东西就是对于绝对空间的关系”;北师大赵嵯教授说得更直白：“

5、牛顿为了论证绝对空间的存在，设计了一个著名的思想实验：水桶实验；复旦郑永令教授则告诉我们:“生顿把水面沿桶壁上升归因于水相对于-绝对空间的加速运动。,可见，主流物理学家的认识儿乎是一致的牛顿用“水桶实验”就是为了证明“绝对空间”的存在；牛顿使全部力学参照“绝对空间” O然而，自然哲学之数学原理的汉语翻译一一中央党校的哲学教授王克迪先生在原理的“导读”中却没敢随波逐流一一他只是说：“300年来，几乎所有的大物理学家和哲学家都对这个实验发表过见解,有人辩驳，有人维护。对此，我们不多加评论，请读者自己思考。”王克迪先生之所以没敢随波逐流，好像也不难理解：毕竟,生顿对“水桶实验”的整个表述，并没有提及

6、“绝对空间”，硬要把“水桶实验”与“绝对空间”扯上关系，似乎有点勉强。 况且，随着研究的深入，物理学家们对“水桶实验”的认识，似乎也变得不再那么自信一一北师大赵峥教授就非常疑惑:“想不到这样一个人人都可以做的,看似毫不起眼的水桶实验,竟然隐含着至今尚未解决的物理学基本问题惯性效应的根源究竟是什么?，这引起了笔者很大的兴趣牛顿用“水桶实验”，真的是为了证明“绝对空间”的存在吗?一、什么叫做“参考系”？什么叫做“特选参考系”？八年级的教科书已教给我们：“世间万物都在运动着。但人们在描述某一物体的运动情况时，无不是对于另一个假定不动的物体（参照物）而.吉的,这表明了描述物体运动的相对性,物理学中，把

7、“这些作为研究物体运动时所参照的物体,称为参考系:牛顿当然比我们更懂得“运动的相对性”!所以他在研究运动问题时，首先就需要选定一个“假定不动的物体”,以便参照它来判定物体的运动状态。不言而喻，牛顿定律并不适用于所有的参考系，而只适用于牛顿特别选定的“特选参考系 _简称“特选系”。然而，现行教科书压根就不提生顿的“特选系”!所幸，1955年4月3日，美国著名的科学史家也科恩对爱因斯坦进行了一次采访,“爱因斯坦说,回顾牛顿的全部思想，他认为牛顿的最伟大成就，是认识到特选系（privileged systems）的作用。他十分强调地把这句话重复了几遍”!这让科恩非常不解“我觉得这是有点令人困惑的,因

8、为今天我们都相信，并没有什么特选系,而只有惯性系由于爱因斯坦自己的工作,我们不再相信绝对空间和绝对时间概念,也不再相信有一个 特选系”!其实，牛顿在研究运动问题时，从来就没有参照过什么“惯性系”！（ “惯性系”概念是牛顿逝世了 158年之后，才被德国物理学家L.Lange发明出来的！详见第三章）在研究地球上物体的运动时，牛顿选定的参考系,通常就是假定不动的地球。而在研究行星的运动时,牛顿另选了一个参考系原理中有“定理11:地球、太阳以及所有行星的公共重心是不动的J牛顿正是参照这个假定不动的重心，来研究行星的运动。但是，在研究水桶实验时，牛顿却始终不知道“水的真实和绝对的转动”是相对于“何物”而

9、言的牛顿指出：这“与其相对运动直接矛盾， 水的这种倾向并不取决于水相对于其周围物体的移动。没想到，牛顿对水桶实验的这番“描述”，竟然导致了马赫对牛顿的力学思想产生了极大的误解！“水桶实验”证明了 “全部力学参照绝对空间”吗?1883年马赫借“水桶实验”对牛顿的力学思想进行了批判。马赫说:“牛顿再次违背了他表达的仅仅研究实际事实的意图。没有一个人有能力断定关于绝对空间和绝对运动的东西通过旋转水桶讨论，他牛顿确信能够证明绝对运动牛顿使惯性定律参照特殊的绝对空间是不必要的 绝对运动是一种毫无内容的、不能在科学中使用的概念牛顿使全部力学参照绝对空间”!其实，这是对牛顿力学思想的天！大！误！解!牛顿在描

10、述“水桶实验”时根本没有提及“绝对空间”！生顿只是告诉我们一一该实验中“水的真实和绝对的转动,在此与其相对运动直接矛盾”;这个“绝对运动”,“并不取决于水相对于其周围物体的移动”!那么，这是否意味着一一“绝对运动”不需要“参照物”，或“绝对运动”参照的就是“绝对空间”呢？ 否!牛顿在原理中定义得很清楚:“皿、处所是空间的一个部分,为物体占据着 IV、绝对运动是物体由一个绝对处所迁移到另一个绝对处所”由此可见，牛顿的本意显然是一一1) “空间”如果没有被物体占据，那只是“空间”，而不是“处所”;2) “绝对运动”也有参照物,参照物就是“绝对处所”;只不过生顿说不出这“绝对处所”究竟是“何物”罢了

11、!匪夷所思，马赫居然把“绝对处所”混同于虚无一物的“绝对空间”，误认为“绝对运动”就是相对于“绝对空间”的运动,进而更错误地断言“牛顿使全部力学参照绝对空间”!（以下把这些误解称为马赫误解）更可悲的是，爱因斯坦对马赫崇拜得五体投地,他说:“我甚至相信，那些自命为马赫的反对派的人，可以说几乎不知道他们曾经如同吮吸他们母亲的乳汁那样吸取了多少马赫的思考方式“牛顿使全部力学参照绝对空间”这个马赫误解,自然也被爱因斯坦当成了 “母亲的乳汁”！因此爱因斯坦强调:“如果人们从相对运动这概念出发,那么在牛顿运动方程中出现的加速度就难以理解了。这迫使牛顿想出一种物理空间，假定加速度是相对于它而存在的。为此特意

12、引进绝对空间概念”。爱因斯坦还强调:牛顿“已经认识到,可观察的几何量（质点彼此之间的距离）和它们在时间中的进程，并不能从物理方面完备地表征运动。他以著名的旋转水桶实验来证明这一点因此，除了物体和随时间变化的距离以外，还必须有另一种决定运动的东西。他认为，这种东西就是对于绝对空间的关系。就这样，马赫对“水桶实验”的那些误解，几乎全都被爱因斯坦进一步强化了。以致教科书至今仍在向学生灌输这些误解北大赵凯华教授告诉我们:“牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性系 他牛顿的解决办法是引入一个客观标准一一绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态北师大赵峥教授也告诉我们：“牛顿

13、认为只有相对于绝对空间的加速才是真加速通过水桶实验，牛顿论证了绝对空间的存在【若牛顿泉下有知,一定会被气得跳起来 难道我牛顿连“运动的相对性”都不懂吗?我只是一时没能说出这“绝对处所”是什么具体的东西而已!你们怎么可以把“绝对处所”混同于虚无一物的“绝对空间”呢? !所幸，也有很多物理学家意识到，以虚无一物的“绝对将因此而失去物理意义!空间”作为参考系，无异于“没有参考系”牛顿力学而正是为了摆脱“牛顿力学将因此而失去物理意义”的尴尬，“惯性系”概念才应运而生！三、为什么1885年L. Lange要发明出一个“惯性系”？据中科院阎康主研究员考证：“在马赫(对牛顿)的批判之后两年，德国物理学家朗奇

14、(L. Lange)在1885年发表的论伽利略惯性律的科学结构一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上,从而使牛顿的力学定律在消除绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义。他的这种观点在随后几年中，被物理学界广泛认为是对物理基础的卓越贡献,并被认为是摆脱19世纪牛顿力学遇到佯谬局面的良策。”可见，牛顿逝世了 158年之后，由于普遍都相信了马赫误解牛顿使全部力学参照绝对空间从而使得牛顿的力学定律陷入了没有参考系的尴尬；而为了 “使牛顿的力学定律在消除绝对空间的条件下，仍能保持其全部物理意义”,这才导致朗登发明了一个“惯性系”！从此之后，物理学中才有了 “惯性系”；继而，几乎所有的教科书都断言：“牛顿定律只有在惯性系中才成立”！追根溯源，惯性系”当然是马赫误解的产物!可悲之处在于，“惯性系”只是“绝对空间”的“替身”，并不是什么“物理实在”，让人如何“参照”呢？没想到，竟然是爱因斯坦首先发现了这个毛病!、为什么爱因斯坦从59岁开始致力于否定“惯性系”？