主题：[转载]牛顿的水桶1687-2011（一：绝对的转动） -- witten1

牛顿的水桶1687-2011。河里有人提到了惯性导航仪，我想到了方励之老师的这篇很漂亮的科普文章，考虑到国内有可能看不到，我就全文转载这篇美文了(全文很长，我分成了四段以利于阅读，这是一篇很值得一看的美文)：

发表于 2011 年 09 月 19 日 由 方励之

经典物理的开山之作“自然哲学之数学原理”发表于1687年。书中，牛顿第一个讲到的物理实验是水桶实验。

牛顿说，用一根长的软吊绳提一桶水，把吊绳拧成麻花状。如果你握住吊绳，不让麻花状的绳子松开，桶及桶中的水是相对是静止的，水面是平的。突然放开手，麻花开始放松，吊绳旋转，水桶也随着吊绳旋动。最初，桶中的水并不转动，只有桶在旋转，桶和桶中的水有相对转动。慢慢地，水被桶带动，也开始转动。最后，水和桶一样转动。这时，水和桶之间又是相对静止的，不转动的。但水面却呈凹状，中心低，桶边高。牛顿爵士特别说“ I have experienced”。他亲自做过这实验。

这个实验很容易，任何有水桶和软绳的人都可以试试。我也多次做过这个实验。 1957 冬 – 1958年春， 我在河北省赞皇县南邢郭村下放劳动。天天要用软吊绳的桶从约十米深的井中打水。水桶的姿态只能用软吊绳控制。没有十天半个月的练习，是学不会水桶姿态控制的。结果是，任凭你让吊桶十五次七上八下，每次提上来的水，大多不过是半桶水，而且在旋转。常被同吃同住同劳动的老农（其实不老，同我年龄相仿，但农活经验老道）笑话：“哈哈，半桶知识分子……”。半桶正好作牛顿水桶实验。牛顿爵士当年可能也在苹果树附近的井中打过水，所以，“I have experienced”。

水桶实验的关键是揭露，有两种“桶及桶中的水是相对是静止”的状态。最初（第一状态），绳被放松之前，“桶及桶中的水是相对是静止的，水面是平的”；最后（第二状态），绳被放松一段时间之后，“水和桶之间又是相对静止的”， 水面却是凹状。两种状态中，水和桶之间都是相对静止的，但水面却不同，前者平，后者凹。引起牛顿的疑问，为什麽？

为此，牛顿问一位“聪明人”:“为什麽桶中水面有时平，有时凹？”

聪明人答：“这个问题简单，转动时水面凹，无转动时水面平。”

牛顿反诘：“不对吧。你看水桶实验，在第一和第二状态时，水相对于桶都是无转动的。但水面可以是平的（第一状态），也可以是凹的（第二状态）。”

聪明人觉得这个问题也不难答：“虽然在第二状态水和桶之间相对无转动，但实际上水和桶同时都在转动，它们并不是在真正的无转动状态，只是相对无转动而已。所以，水面是凹的。”

到要害了，牛顿的兴致来了：“那就是说，转动必须分成真正的无转动，和相对的无转动。只在真正的无转动状态，水面才平。有相对无转动，没有真正的无转动，还不行。”

聪明人只能同意了：“应当是吧。”

牛顿再追问：“那，谁是在真正的无转动状态？”

聪明人意识到这是难题，只能碰碰运气了：“水井就没有转动呀！水井就在真正的无转动状态。”

果然被牛顿抓个正着：“哈哈，聪明的朋友，水井建在地球上。如果水井是在真正的无转动状态，地球也应当是在真正的无转动状态。这不就同哥白尼学说矛盾了吗? 地球的自转一天一圈，公转一年一圈，虽然比水桶的旋转慢得多，但也是在转动呀。”

聪明人语塞：“……”

牛顿紧逼：“再想想，什麽东西在真正的（或绝对的）无转动状态？”

聪明人想：是太阳？不对，太阳也有转动。是银河系？（牛顿时代，尚无银河系结构概念）不对，银河也有转动……

聪明人已无招架之功了：“牛先生，还是请你告诉我们答案吧。”

其实，牛顿自己也不知道答案。但是，牛顿的过人之处，在于敢大胆假定他自己也没有见过的东西。牛顿在他的“自然哲学之数学原理”里假定，“绝对空间：其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动”。“永不移动”的东西当然是不会有转动的。所以，“绝对空间”是在绝对的无转动状态。尽管，谁也没见过“绝对空间”。

这样，水桶实验的一个自洽的解释是，只当桶中水相对于绝对空间无转动时，水面才是平的，否则是凹的。

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