趣·事
物理学史上的著名理想实验（2）
——“理想抛体”与“理想水桶”实验
本期疯狂物理带大家欣赏物理学史上的著名理想实验——牛顿的“理想抛体”和马赫的“理想水桶”实验，感怀物理学家的睿智。
牛顿写成的论文《论物体的运动》提出了著名的抛体运动的理想实验，说明了行星在向心力的作用下为什么会保持轨道运行，进而阐述万有引力的思想。
其中这样描绘了牛顿的抛体理想实验：一块石头投出，由于自身的重量的压力，被迫离开直线路径，如果单有初始投掷，理应按直线运动，而这时却在空气中描出曲线，最终落在地面；投掷的速度越大，它在落地前走的越远。于是我们可以假设当速度增大到如此之大，在落地前描出一条1、2、5、10、100、1000英里长的弧线，直到最后超出了地球的限制，进入空间永不触及地球。
牛顿把地面上的力学和空间的力学统一了起来，是他发现万有引力定律、形成基础的力学体系的重要思维历程。
在牛顿的力学体系中，对于时间、空间和运动这些必不可少的基本要素，牛顿都作了明确的叙述，从而构成了他的绝对时空观。
为了证明绝对空间和绝对运动的存在，牛顿提出了著名的水桶实验：如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂时处于静止之中。再以另一个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。运动越快水升的越高。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。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，这时水就在桶中相对静止。所以，这一倾向并不依赖于水相对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。
从牛顿的描述和分析可以看出，牛顿的水桶实验是很容易实现的，实验现象也是很容易观察到的，因此这是一个实际实验及现象分析。但是，由此而论证的绝对运动却引起后人的许多怀疑与争议。
一般认为，对牛顿的绝对时空、绝对运动观作出最深刻、最有力批判的是奥地利物理学家马赫。19世纪末，马赫完成了他的名著《力学史评》。在书中，马赫指出，世界上一切物体都是相互联系、相互依赖的，与任何变化无关的绝对时间，既然不可能由任何运动来量度，因而也就没有任何实际价值和科学价值。同样的道理，任何人也不能说有什么关于绝对空间和绝对运动的东西。
马赫仍借用牛顿的水桶实验，但把实际的水桶实验抽象为理想实验。他设想，如果桶壁越来越厚，越来越重，最后达到几千米厚，实验能得出什么样的结果呢？
马赫指出：水相对于桶壁的旋转，当然不能引起它表面的凹曲现象，因为桶的质量太小了。但是，如果桶壁变得非常厚，相对转动对于水面的平凹就肯定会起作用。设想一个静止于水面上的观察者，将看到无数天体绕着他旋转，这一拥有巨大质量的天体体系绕着水旋转，必然引起水面凹曲的现象。所以，马赫据此得出结论：这种效应仍然是相对运动引起的，并不是什么绝对运动的证据。
马赫的理想实验，以明确、直观的形式指出了牛顿的绝对时空、绝对运动观的谬误。在物理学发展的重要关头，他以逻辑思维的方法对旧理论作出令人信服的批判，使人们看到绝对时空观作为牛顿力学的基石是不够牢固的，呼唤物理学在更牢固的基础上建立新的力学体系。
何为“千篇万律？”
宋·苏轼《答王庠书》：“今程试文字，千人一律，考官亦厌之。”千篇一律，形容一种机械的重复。
而物理学是有趣有理的，物理人也是幽默理性的，李小杨曰：“千篇万律，方显有趣灵魂！”接下来，疯狂物理将与你相约1000个物理故事，感悟10000个规律。
—— END ——
