14 牛頓那只裝滿水的水桶
另一方面,如果所有的運動都是相對的,那麼在靜止的立足點上觀察球體旋轉,或者在旋轉的立足點上觀察靜止的球體,應該就沒有差別。例如,坐在水桶裡,在水桶下方的地面擺上兩顆球,中間繫著一條繩子。一旦觀察者隨著水桶開始旋轉,在他眼中看來就等於是地上的球在旋轉;不過,只要瞥見球體之間的那條繩索,就會發現繩索並未呈現緊繃狀態。
水桶實驗的原本目的,就是單純要證實水面的形狀不受水和桶緣m•hetubook.com•com相對運動的影響。有趣的是,在原本的書中,牛頓只敘述了前半段實驗。後來他再提到這項實驗時,才有「助手」將水桶停住,但是現在早已沒有人知道是誰向他提出這個建議,以及提出這個建議的原因何在。不過,牛頓自己可能早就對這項水桶實驗的說服力是否足夠存有疑慮,因此他也要求我們想像,兩顆用繩索綁在一起的球體因旋轉而向外飛出,導致繩索呈現緊繃狀。
牛頓說明指出,水和水桶雖然處於相對運動狀態,但是只有其中一種情形才會造成水面的下凹形狀。一名觀眾熱
https://m.hetubook•com.com心發問:「如果相對於周遭的建築、地面和地球而言,這項運動會不會有任何不同?」牛頓爵士說:「一點也不會。水面呈現的效果是離心力的影響,宇宙中的銀河系也都受到離心力的影響。唯一和水相對的東西,」牛頓在此刻意頓了一頓,以便加強語氣:「就是絕對空間。」
這位助手提醒我們,如果攪動杯子裡的茶水,水面就會因旋轉而形成凹狀,中央較低,杯緣部分較高(有人喃喃自語:不過,這種現象可能是茶水與靜止不動的杯壁之間的摩擦力造成的啊)。
後來,水終於「趕上」了水桶的運動,兩者一起以相同的速度旋轉https://m.hetubook.com.com,因此,兩者之間就不再有任何摩擦力。不過,一如牛頓滿懷驕傲地指出,儘管摩擦力消失,水面的下凹形狀還是不變。
這場實驗由牛頓爵士呈獻給皇家學會。在這場實驗中,牛頓爵士將以一只水桶和一條長繩證明絕對空間與絕對運動。
實際上牛頓認為,就算宇宙裡的所有物質全部消失,絕對空間還是會繼續存在。絕對空間雖然是空的,卻仍是實在的「空間」。時間也一樣不會消失。
這時,牛頓的助手突然抓住水桶,停止水桶的轉動!
牛頓滿臉興奮地向觀眾大叫「不過,在剛開始的一小段時間內,雖然水桶和水呈現相對運動,m•hetubook.com.com水面卻是平的!」
討論
後來,馬赫認為宇宙隨時都影響著所有事物,因此牛頓想像其他東西都不存在的狀況是錯誤的做法。他嘲笑牛頓:「只要固定住牛頓的水桶,然後旋轉天空,再證明離心力不存在就行了。」至於在一個其他事物都不存在的宇宙裡、由「旋轉的立足點上觀察球體」(你能想像嗎?)這種假設,我們也不該自以為知道其結果會是什麼。
首先,牛頓想像中的助手在桶內注滿水,然後用長繩將水桶吊在椽木上,接著旋轉水桶,直到繩子完全纏繞在一起。
絕對空間和外在任何事物都無關,本質上完全均勻,不可移動。和_圖_書
實驗所需的特殊器材:一只水桶、一條長繩
桶內的水仍然持續轉動了一段時間,水面還是保持下凹形狀,而且水和水桶的相對運動也和實驗開始之初一樣,只是那時的水面是平的。
牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中定義的附注中寫道:
這時牛頓下令:「放開水桶!」助手立即照辦。於是,水桶開始轉圈,纏繞在一起的長繩也逐漸鬆開。當然,水桶內的水面剛開始是平的,隨著水桶逐漸轉動,桶緣的水面也逐漸升高,中央逐漸下降。這時候,水桶內的水就有點像是杯子裡的茶水,「爬上」旋轉中的桶壁。
牛頓水桶內的水是否真的像他自己所說的,揭示了絕對空間的存在?