马赫（Ernst Mach）是一位杰出的物理学家和哲学家，他的理论影响深远，特别是在物理学和认识论领域。他以批判牛顿的绝对空间理论而闻名，而“马赫的水桶实验”正是他对这一问题的思考成果之一。本文将详细探讨马赫水桶实验的背景、实验的理论意义、对牛顿绝对空间观念的批判、实验与其他哲学家的观点联系，以及其对现代物理学的影响。 一、背景介绍1. 牛顿的水桶实验在理解马赫的水桶实验之前，必须先介绍牛顿的原始水桶实验。牛顿在其《自然哲学的数学原理》中设计了一个思想实验，以证明绝对空间的存在。牛顿设想了一个悬挂在绳子上的水桶，水桶被旋转起来，水桶中的水最初是静止的，然后随着水桶的旋转逐渐形成一个凹面的水面。当水桶停止旋转时，水仍会继续旋转，保持凹面一段时间，直到逐渐恢复平静。 牛顿通过这个实验指出，水表面变凹的现象表明了物体的运动状态并不是相对于其周围的物体（如水桶）而决定的，而是相对于某种“绝对空间”而言。换句话说，水的旋转状态无法仅通过相对于桶的运动来解释，而必须考虑其相对于某种不变的参照系——即绝对空间的存在。 2. 马赫对绝对空间的质疑19世纪后半期，马赫作为反对牛顿绝对空间概念的代表人物，提出了不同的看法。他认为绝对空间是一个没有实际意义的概念，无法通过经验观察加以验证。相反，他主张，所有运动都是相对的，物体的运动状态应该通过其与其他物体之间的相对运动来描述，而不需要引入绝对空间。 马赫通过修正牛顿的水桶实验，试图提供一种不依赖于绝对空间的解释。这种实验不仅仅是对牛顿实验的反驳，同时也是他相对性观念的一部分。 二、马赫的水桶实验解释1. 马赫原理马赫的水桶实验的核心在于他的物理哲学观，尤其是他提出的“马赫原理”（Mach's Principle）。马赫原理认为，任何一个物体的惯性状态（即其是否在加速或减速）是由它与宇宙中其他物体的相对运动决定的。这意味着，旋转水桶中的水会形成凹面的原因，并非是由于其相对于“绝对空间”的旋转，而是由于水相对于整个宇宙中的物质（如遥远的恒星）在旋转。 根据马赫的观点，宇宙中所有物体的质量和分布对局部物体的惯性产生影响。因此，水的旋转并不是因为它在绝对空间中旋转，而是因为它与其他天体的相对运动导致的。 2. 水桶实验的修正马赫对牛顿实验的主要修正在于对旋转本质的解释。马赫认为，当我们观察水桶中的水旋转时，实际影响水面形状的因素是水与整个宇宙的相对运动，而不是水桶与“绝对空间”的关系。 举例来说，如果宇宙中不存在其他物质（即空无一物的“绝对空间”），那么水的旋转将无法被定义，也无法产生牛顿所描述的凹面水面。这是因为在这样的情况下，水无法与其他任何物质建立相对运动关系，运动本身也就无从谈起。 因此，马赫得出结论，惯性和旋转的现象都是相对的，必须通过物体之间的相互作用来理解，而不应借助绝对空间这样的概念。 三、对牛顿绝对空间观念的批判1. 绝对空间的不可验证性马赫最主要的批评之一在于牛顿的绝对空间概念是无法通过实验验证的。绝对空间作为一种假设存在，没有任何物理意义，因为我们无法直接感知或测量绝对空间。马赫认为，物理学应当建立在可观测和可验证的概念之上，而绝对空间则无法满足这一要求。 2. 相对运动的重要性马赫强调，所有运动都是相对的，运动的描述必须依赖于物体之间的相对关系。例如，旋转水桶中的水形成凹面，是由于它相对于其他天体在运动，而非相对于绝对空间。通过这种观点，马赫将物理学中的运动问题引向了相对性，这也为后来爱因斯坦的相对论提供了思想基础。 3. 惯性的解释牛顿的绝对空间理论试图通过引入绝对参照系来解释物体的惯性。根据牛顿的观点，一个物体的惯性是由它相对于绝对空间的运动状态决定的。然而，马赫反对这种解释，认为惯性是由物体与整个宇宙中的其他物质相互作用的结果。马赫的这一观点直接挑战了牛顿对惯性和空间的传统解释。 四、马赫水桶实验的哲学意义1. 实证主义与经验论马赫的思想深受实证主义的影响，实证主义强调所有科学理论必须基于经验观察和实验验证。马赫认为，牛顿的绝对空间理论缺乏经验基础，属于一种形而上学的假设。相反，他主张物理学应当依赖于可观测的物理现象，并且理论必须能够通过实验加以验证。 2. 物理学中的相对性马赫的相对性思想对后来物理学的发展产生了深远的影响。特别是在爱因斯坦提出广义相对论时，马赫的思想为其提供了重要的哲学启发。爱因斯坦的广义相对论同样否定了绝对空间的存在，并主张空间和时间是相对的，取决于物体的质量和能量分布。 五、实验对现代物理学的影响1. 对相对论的贡献马赫对绝对空间的批判为爱因斯坦的相对论提供了重要的思想基础。特别是在广义相对论中，爱因斯坦采用了一种类似于马赫原理的思想，即物体的惯性状态受到周围物质的影响。虽然爱因斯坦并未完全接受马赫的观点，但马赫的思想显然为其广义相对论的构建提供了启发。 2. 量子力学与引力理论马赫的水桶实验也间接地影响了量子力学和引力理论的发展。现代物理学中，惯性和引力之间的关系被深入探讨，而马赫的相对性思想为这些研究提供了哲学上的支持。虽然马赫原理本身在现代物理学中并未得到完全证实，但它的思想内核仍然激励着科学家们探索宇宙中物体之间的相互作用。 六、总结马赫的水桶实验不仅仅是对牛顿绝对空间理论的反驳，更是对物理学基础问题的一次深刻思考。通过实验和理论分析，马赫提出了相对性运动的概念，并强调物体的惯性和旋转现象应当通过物体之间的相互作用来解释，而非依赖于绝对空间的存在。这一思想对现代物理学产生了深远的影响，特别是为爱因斯坦的相对论提供了重要的哲学基础。尽管马赫的理论在细节上可能存在一些问题，但其对科学哲学的贡献不容忽视。