牛頓的水桶究竟有多大？你想想，你仔細想想

文/袁玉剛 圖/來自互聯網

十七世紀，英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家艾薩克·牛頓爲了證明絕對空間、絕對運動的存在，做了一個水桶實驗，

(a)桶吊在一根長繩上，將桶旋轉多次而使長繩擰緊，然後盛水並使桶與水靜止，此時水面是平的。

(b)接著松開，因長繩的扭力使桶旋轉，起初，桶在旋轉而桶內的水並沒有跟著一起旋轉，水面還是平的。

(c)轉過一段時間，因桶的摩檫力帶動水一起旋轉，水面下凹。直到水與桶的轉速一致。這時，水和桶之間是相對靜止的，相對于桶，水是不轉動的。但水面卻仍然呈凹狀，中心低，桶邊高。

圖1 牛頓的水桶實驗

水相對于什麽在旋轉？爲什麽旋轉的水面會下凹？

牛頓寫道：“絕對空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的。相對空間是絕對空間的某一可動部分或其量度，是通過它對其他物體的位置而爲我們的感覺所指示出來的，並且通常是把它當作不動的空間的。”“絕對空間始終保持一致和不動。絕對運動是從一個絕對的地方到另一個絕對的地方。”

牛頓認爲：引起水面下凹的轉動是水的“絕對轉動”，只有絕對轉動才會表現出物質的慣性，才會使水面下凹；而水的絕對轉動，就是相對于水桶之外的另一個神秘的“絕對參考系”的轉動。絕對參考系就是建立在“絕對時空”之上的那個參考系。也就是說：水相對于“絕對參考系”在旋轉。水的“絕對轉動”導致水面下凹，邊緣的水上升。水的旋轉證明絕對空間的存在。

我再加一句：水上升占據的空間、水面下凹讓出的空間也能證明絕對空間的存在。

十九世紀,，奧地利物理學家、哲學家恩斯特·馬赫反對牛頓絕對空間觀念，認爲相對于絕對空間的絕對運動是不存在的。物體的運動都不是相對于絕對空間，而是相對于別的物體而言的。水的爬升是因爲對天體的相對運動。並說：“水面沿桶壁的升高是離心力作用的結果，也可以看作相對慣性力的作用，而這個慣性力是無數遙遠天體對水面的引力的作用，所以慣性力本質上就是引力。”“如果水桶壁不斷地增厚並達到一定的厚度時，水面就會因水相對于水桶壁的運動産生凹面。”

二十世紀初，美國理論物理學家愛因斯坦依據“馬赫原理”提出相對論。

我支持牛頓的解釋。因爲絕對空間是客觀存在。宇宙萬物的存在、你我自由的走動，就是絕對空間客觀存在的證據。

其實，在我看來，牛頓的絕對空間觀念是對的。任何一種相對空間都是絕對空間。任何一種相對運動也都是絕對運動。只是相對空間和相對運動更加精確了而已。“悄悄地，我走了，就像我悄悄地來”，一定是絕對運動。“悄悄地，我再別康橋，走了”，就應該是相對運動。

“絕對空間”、“相對空間”各有各的用處。爲什麽非要二選一呢？

馬赫從相對論的角度批判牛頓的絕對空間觀無可厚非，各抒己見，百家爭鳴麽。但要說“水面沿桶壁的升高是離心力作用的結果，也可以看作相對慣性力的作用，而這個慣性力是無數遙遠天體對水面的引力的作用，所以慣性力本質上就是引力”則可能謬誤了。

衆所周知，牛頓雖然發現了引力定律，但卻不是“萬有”派。無數遙遠天體對水桶裏的水沒有引力的作用，更不會導致水面下凹。

馬赫是“萬有”派，強調無數遙遠天體對水面有引力的作用。

馬赫把物體和物體占據的空間永遠地捆綁在一起的思想不符合實際。

外國鬼子侵占了某國的領土、領海、領空，但卻拒不承認侵占，還說那些空間是他們從他們的國家帶來的，不是某國的。因爲國際上有個共識：物質和空間是一體的，物質就是空間，空間就是物質。物質運動了，空間也跟著運動。這是不是詭辯？

我認爲，空間是“絕對空間”。他們占據了某國的“絕對空間”，他們的“絕對空間”就增加了，某國的變少了。他們是侵占。對牛彈琴，徒勞無功。只有把他們的“物質”趕出去，把他們占據的“空間”給某國留下來，才公平公正。

水桶依然在旋轉。牛頓和馬赫的爭論還在繼續。

我有點不自量力，心血來潮，想另辟蹊徑，談談牛頓的水桶實驗：

1、關于水桶裏形成旋渦的力

水桶裏形成旋渦的力有兩個，一個是直線力，在牛頓的水桶裏就是地球系統的引力即重力；另一個是剪切力，在牛頓的水桶裏就是水桶的自轉力或者是繩子的扭轉力。這兩個力都是外力，與水和桶本身的萬有引力無關，與馬赫的無數遙遠天體的萬有引力無關。

如果桶底有孔，水在重力作用下高速下流，水面也自然形成旋渦。如果桶底無孔，水桶高速轉動，在旋渦力和重力作用下水面向下凹。

旋渦形成後，就産生向心力和離心力。向心力就是引力，是一種在水面上把水向中心旋聚的力；離心力就是排斥力，是一種在極軸方向上把水向外圍噴撒的力。

水桶裏旋渦的離心力就是水桶的自轉力或者是繩子的扭轉力，不是無數遙遠天體的引力。這個力推動水向外運動。水受到桶壁的阻擋被迫上升。

旋臂、潮汐是怎麽來的呢？你想想，仔細想想。

2、關于水桶裏旋渦的形狀

在地球上，旋渦的形狀是不規則的半球形，有赤道和一極，極向指向地球系中心。在牛頓的水桶裏，旋渦的形狀是不規則的半球形，赤道是桶徑，一個極向下。中心的水向四周運動，因受阻而在水桶壁處上升，再從桶壁處旋向中心。因爲地球系統有重力，所以水面下凹。旋轉速度較大時，下凹達到桶底，形成黑洞。

馬赫的“如果水桶壁不斷地增厚並達到一定的厚度時，水面就會因水相對于水桶壁的運動産生凹面”的話是不對的。水桶壁再薄都會産生凹面。

圖2 台風

如果在〇重力處，水桶高速轉動形成的旋渦水面不再向下凹，而是向兩極凸起。在太空，旋渦的形狀是不規則的球形，有赤道和兩極。

圖3 草帽星系

在太空，黑洞藏在旋渦的中心，人們看不見，但可以向兩極噴發高速、高溫物質。

圖4 星系噴發

3、關于水桶裏的水

在地球上，水桶裏的水無色無味，我們能夠看到它，看到它的運動。水桶裏的空氣也無色無味，我們看不到它。當水旋渦形成時，水桶上部的氣旋渦也形成了。水沒有萬有引力，不會相互吸引。如果沒有水桶的約束，水就流走了。

如果在水裏放一個球，水和球都會旋轉，具有公轉、自轉和進動。

太空旋渦裏沒有水，只有氣體、塵埃和星球。但氣體、塵埃和星球都是流體，都可以在太空漂浮、聚散和運動。暗物質其實是旋渦引力的體現，不是物質，但可以轉化爲物質。

4、關于地球系的引力

在地球上，牛頓水桶裏的旋渦面向下凹。我們都認爲的地球系引力的吸引。在空間站裏，地球系引力變小，但不爲〇，牛頓水桶裏的旋渦面還是向下凹嗎？

圖5 空間站裏的水球

看看空間站裏這個漂浮的水球，在空間站裏還能做牛頓的水桶實驗嗎？只能全靠想象了。

那麽，銀河系旋渦是怎樣形成的呢？它的桶該有多大啊？

5、關于水桶的直徑

旋渦裏水的運動與水桶的轉動速度有關，與水桶的厚度和質量無關。水桶的轉動速度越大，水的運動速度就越大，水面的凹陷幅度就越大，甚至産生黑洞。

有一些科學家認爲，如果沒有桶，也沒有外來引力，旋渦裏的水可能會朝外飛出去，也可能會形成一個橢球體。是也非也，讓他們爭論去吧。

空中沒有水桶，台風、龍卷風照樣形成，因爲地球上的某些地形和氣流可以做爲桶。旋渦的形成還有另外一種方式即直線快速運動。在地球上熱空氣直線快速上升或者冷空氣直線快速下降都會形成氣旋。例如旋風、冷渦等等。

地球系在旋轉，太陽系在旋轉，銀河系在旋轉。它們都是旋渦。它們的桶是什麽？有這麽大的桶嗎？誰使它們旋轉的？真的是上帝踢了一腳嗎？

網友們，你們想過嗎？