读物理学史之牛顿的绝对时空观和马赫的批判材料：为了证明“绝对运动”的存在，牛顿举了水桶旋转的例子。他写道：1】 “如果用长 绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力 突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全 放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初 是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。 于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状（我曾作过这 一试验） 。运动越 快，水升得越高。直到最后，水与桶的转速一致，水 面即呈相对静止。水的升高显示它脱 离转轴的倾向，也显示了水的真正 的、绝对的圆周运动。这个运动是可知的，并可从这一 倾向测出，跟相 对运动正好相反。2】在开始时，桶中水的相对运动最大，但并无离开转轴 的倾向；水既不偏向边缘，也不 升高，而是保持平面，所以它的圆周运 动尚未真正开始。但是后来，相对运动减小时，水 却趋于边缘，证明它 有一种倾向要离开转轴。这一倾向表明水的真正的圆周运动在不断增 大，直到它达到最大值，这时水就在桶中作相对静止。所以，这一倾向 并不依赖于水相对 于周围物体的任何移动，这类移动也无法定义真正的 圆周运动。 ”这就是著名的“水桶实验”。分析: 在水桶实验中牛顿说的“绝对运动”指的是什么？相对运动说的是什么？牛顿把什么当做绝 对运动？什么当做相对运动？ 在水桶实验中主要有观察者，水，水桶三者。那么，就会有这样两种情形：1，观察者作为 参考系，观察水桶和水的运动；2，以水桶作为参考系，描述水的运动。 整个水桶实验大致可分为以下几个阶段：a ,开始时将水注入，水与桶都暂处于静止之中；b,以 另一力突然使桶沿反方向旋转,此时桶旋转，水没有旋转；c,桶旋转,桶逐渐把运动传递给水， 使水也开始旋转。此时水转速比水桶转速慢;d,水与桶的转速一致.水与水桶相对静止。e,当 绳子完全 放松时，桶的运动还会维持一段时间。 以观察者作为参考系看来，在 a 阶段，水与桶都暂处于静止之中；在 b 阶段，桶旋转，水 没有旋转；在 c 阶段，桶旋转，水也开始旋转；在 d 阶段，水与桶的转速一致，一起旋转。 牛顿认为从水开始旋转即做圆周运动，到水与水与桶的转速一致一起旋转，水都在做圆周 运动，水的圆周运动就是绝对运动，绝对的圆周运动。因为在观察者看来水确实在运动。 因此牛顿把 cd 阶段水的运动看做绝对运动。这是相对于观察者说的。 以水桶位参考系看来， a 阶段水与桶都暂处于静止之中，在水桶看来，水是静止的；b 阶 段桶旋转，水没有旋转。在水桶看来，水在运动，与水桶方向相反的旋转运动。用观察者 的角度看就是水没有运动，水桶之所以认为水在旋转是因为水桶是运动的，而水桶又把自 己作为参考系把自己看成静止的，水桶与水之间的运动差，转嫁到水的身上。无论谁作为 参考系，两物体间的运动差不变。此时水的旋转始终是平面。 c 阶段，桶旋转，水也开始旋转， 此时在水桶【作为参考系】看来水在旋转。此时水的旋 转不再是平面，水开始上升。d 阶段，水与桶的转速一致，一起旋转。在水桶看来，水是 静止。 b 阶段在水桶看来，水在运动，牛顿可能是把此时水的运动看做是相对运动。d 阶段，水与 桶的转速一致，在观察者看来水是运动，在水桶看来水是不动的，水与水桶相对静止。 所以牛顿说， 在开始时，桶中水的相对运动最大，但并无离开转轴 的倾向；，桶中水的 相对运动即在桶看来是水在做圆周运动，此时的圆周运动不是真的圆周运动，是相对运动。 此时， 水既不偏向边缘，也不升高，而是保持平面， 所以牛顿说它的圆周运 动尚未真正开 始。所以牛顿说后来，相对运动减小时，水却趋于边缘，证明它 有一种倾向要离开转轴。 水的升高显示它脱离转轴的倾向，也显示了水的真正 的、绝对的圆周运动。 水的升高显示水的圆周运动，水的圆周运动可以通过水的升高来判断。牛顿把此时水的圆周运动称作绝 对圆周运动。而相对运动，即 b 阶段桶旋转，水没有旋转。在水桶看来，水在运动，水在 做圆周运动，此时水的圆周运动并没有水的升高，不能通过水的升高来判断说水在做圆周 运动。所以牛顿说此时水在做相对运动，相对圆周运动。 材料 1】应该说的是绝对运动，以观察者作为参考系描述水的运动，此时以观察者作为参 考系描述水的运动看做绝对运动。1】部分是以观察者的角度描述水桶实验的整个过程。此 时，我们可以通过水的升高判断水是否在做圆周运动。材料 2】应该说的是相对运动，以 水桶作为参考系描述水的运动。此时以水桶作为参考系描述水的运动看做相对运动。2】部 分是以水桶的角度描述水桶实验的整个过程。此时我们无法通过水的升高判断水是否在做 圆周运动。因为水是平面的时候，在水桶看来水也是圆周运动的。因此水是否升高不能作 为水是否圆周运动的标准。因此在水桶作为参考系看来，不能以水是否升高来判断水是否 做圆周运动。因为水升高 只说明水有倾向边缘的趋势，不能说明水是在做圆周运动。因为 【在水桶做参考系看来】水做圆周运动的时候没有 倾向边缘的趋势，在水与水桶的相对运 动减小的时候，或者说在水桶看来水的运动减小的时候，水有了倾向边缘的趋势。因此水 倾向边缘的趋势与水是否做圆周运动无关，这是水桶作为参考系得出的结论，水桶作为参 考系描述水的运动是水桶与水的相对运动，或称之为相对运动。因此牛顿说在相对运动中， 水倾向边缘的趋势【或说水离开转轴 的倾向】不能说明水是在做圆周运动。水倾向边缘的 趋势【或说水离开转轴 的倾向】 与水做不做圆周运动无关，与水做什么样的运动无关。因此不能从水倾向边缘的趋势来判 断水是否做圆周运动，不能用水倾向边缘的趋势来定义圆周运动。这样才有了材料 2】最 后牛顿说的那句话， 所以，这一倾向 并不依赖于水相对于周围物体的任何移动，这类移动 也无法定义真正的 圆周运动。 。 我们知道绝对静止的物体是不存在的，假设有绝对静止的物体，那么我们说的绝对运动就 是相当于绝对静止系说的。绝对静止系描述的空间就是绝对空间。物体相当于绝对静止系 的运动就是物体在绝对空间的运动。绝对空间就是通过绝对静止系描述的空间。 物体相对于绝对静止系的运动就是物体与绝对静止系的运动差运动差的概念见运动认识 运动差， 物体与绝对静止系的运动差在物体作为参考系看来就是绝对静止系的运动； 物体相对于相对静止系的运动就是物体与相对静止系的运动差。物体与相对静止系的运动 差在物体作为参考系看来就是相对静止系的运动。从这点看来物体间的运动差与其中的物 体是否绝对静止或相对静止无关，与物体的运动状态无关。 1 空间是存在的，这个没有异议。2，我们是通过一个物体作为参考系来描述物体的运动的， 描述物体在空间运动的。这样我们就得出这样的结论，我们是通过参考系描述空间的。有 绝对静止的物体的时候如此，没有绝对静止的物体的时候也是如此。3，参考系描述空间的 时候，参考系都是作为空间的静止的点来描述的，或者说参考系永远与参考系描述的空间 是静止的。我们之所以认为有绝对静止系的时候，有绝对空间是因为，绝对静止系是绝对 静止的，或是说绝对静止系是空间上静止的点，绝对静止系与空间是静止的。事实上无论 参考系是否绝对静止，参考系描述的空间都是与参考系静止的。描述物体在空间的运动都 是唯一的。因此存在不存在绝对静止系都是一样的【1，因为参考系与参考系空间都是静止 的，2 在运动的物体看来绝对静止系也是运动的，即运动差与参考系是不是绝对静止系无 关。运动差即两个物体间的运动状态差，通常我们也说是一个物体的运动状态。 】 空间是通过参考系来描述的。参考系是通过描述空间来描述运动的。空间与参考系永远是 静止的，与参考系的运动无关，与参考系的运动是否发生改变无关。这样空间相当于参考 系来说就是不变的，即不会收缩，空间与参考系是一起运动的，即空间运动说。 参考文献: 1】 运动认识运动差吴兴广 2】 空间运动说吴兴广 3】 时间的本质之时间的由来吴兴广 4】 运动差角度分析光速不变吴兴广 2013-8-4 15:40:06