牛顿经典力学面临的窘境，马赫对“绝对时空观”的批判！

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如果要问哪个理论是近代科学的基石，那牛顿力学当选则毫无疑问。然而在20世纪初，以牛顿力学为代表的经典已经无法解释许多实验现象，这不由得让人们对于牛顿力学的正确性提出怀疑。随着人类对显微镜的改进我们有了更精细的工具，我们开始窥探微观世界的面貌。当然这时候，量子力学还没有出世，人们对微观粒子的运动研究还依靠着经典物理。可是原子，电子等粒子的发现让科学家大跌眼镜，因为牛顿力学对这些粒子的运动的预测基本上是错的。也因此20世纪初科学家们开始全方位的对经典物理进行扩充和批判。

上过中学物理的读者一定对牛顿力学有所了解，事实上，牛顿力学也可以用三大定律和万有引力来基本概括。

牛顿

我们简单回顾一下牛顿力学的知识点。牛顿力学告诉我们，物体在不受力的情况下会保持匀速直线运动或者静止，所以说力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动的原因，这一点颠覆了亚里士多德的观点。还有物体之间作用力是相互的，比如你抽我一巴掌，我的脸和你的手都会疼。以及物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比；加速度的方向跟作用力的方向相同。最后牛顿力学还告诉我们任何物体之间都有吸引力，这也就是万有引力。其实牛顿力学的基础就这么点，这就完了。

但是以牛顿力学为基础的物理理论却衍生出了很多，包括经典的电磁理论，经典统计力学。它们和牛顿力学统称为经典物理学！在20世纪以前，人类的工业革命就是依靠经典物理学来实现的。

但是接下来，就需要我们给经典物理学挑刺了！首先经典物理学是建立在几个假设之上的：

第一个假设：

牛顿对时间和空间就没有认真思考，自己凭直觉就给出了：时间和空间都是均匀的，时间是均匀流逝，而空间也是均匀流逝着。是不是感觉这种想法很正确，看上去简直完美无缺。好像质疑时间和空间的人都是些奇葩，毕竟这太符合直觉了，这就是我们常说的绝对时间和绝对空间，简称绝对时空观！这一时空观在笔者看来与亚里士多德的时空观并没有太大区别。

第二个假设：

任何物体的运动信息都是可以测量，即便你再小，我都可以测量出你的速度和位置。比如汽车在路上运动，我们可以通过检测器测出汽车的瞬时速度和它的位置。

第三个假设：

那就是两个物体的速度可以叠加在一起，即速度叠加原理。如果你现在坐在火车上，对面迎面驶来另一辆火车，你就会感觉到对面的车速很快。其实这是你把自己坐在的车厢作为了参照物，把自己的车速叠加到了对面的火车上去了。所以才会感觉对面的火车好快。这也就是我们经常所说的伽利略变换。

第四个假设：

任何物质之间的相互作用都必须有一个介质。这很简单，如果你要把饭桌移到客厅，就需要用手去抬它，那么手就是这种介质，因为桌子不可能凭空移动起来。在炎热的夏季，我们经常用扇子扇风，吹得头发飘扬起来，扇子扇起来之所以可以让头发飘扬起来，就需要空气来传递这种力。牛顿力学拒绝承认超距作用的出现，也就是否定了隔空打牛，牛顿老人家是不会相信我在家里什么工具都不用，就可以打到门外的牛。最起码你得拿一个棍子吧！

其实牛顿力学的这几个假设根本就不需要刻意的论述，因为大家感觉这都太正常了，正常到不用在费心的去论证了。但是往往看起来无懈可击的常识，其事实总会出乎你的意料！而牛顿力学所依靠的这几个假设除了第四个，以现在的角度看来都是片面的，甚至可以说是错误的！

其实在相对论出世之前，就曾有个物理学家对牛顿的绝对时空观提出了尖锐的批评。这哥们就是速度的一个量词，叫马赫。

马赫

马赫认为，牛顿的绝对时空观完全是靠主观臆测出来的，压根就没有经验事实。马赫曾批判道：“我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系，互相依赖的，并且我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分”。在伽利略之前，人们已经被亚里士多德的错误观念误导了2000年。亚里士多德曾经就认为，物体之所以能运动完全是因为力的作用，因为这很符合常识。你看，我要让桌子动起来，必须得用手推它，不推桌子，它就不动，由此得出来力是造成物体运动的原因，在这种常识下自然也会得出物体的质量越大，其下落的越快。而直到伽利略才用比萨斜塔的实验否定了亚里士多德的谬论，当然比萨斜塔的真实性有待考证，咱们在这就不过多讨论了。

在马赫看来，牛顿犯了同样的错误，他在时空观上和亚里士多德犯了一样的错误，那就是完全靠直觉。因此就有了这样一句话：“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是—种无用的形而上学概念“。当然牛顿还做了一个水桶实验来验证绝对时空观。牛顿说我把一个装着水的木桶用绳吊起来，此时水和桶壁是保持静止的，这时候水面是平的。如果我把绳子拧紧再松开，那么木桶和水肯定会在某个时刻同步旋转，这时候木桶和水也是保持静止的，但为什么水面却是凹的呢？

水桶实验演示图

你可能会质疑，因为第一次水桶真实上没有旋转，而第二次却真的旋转了。而牛顿继续解释道，由于地球的自转，第一次水桶事实上也在旋转啊！太阳系，银河系......也在自转啊，这样看来：压根就没有绝对不旋转的木桶！那为什么一个水面平滑，而另一个水面凹陷呢？牛顿于是认为这预示着宇宙本身是个绝对不旋转的空间，所以空间是绝对的！但是这个实验的逻辑出发点完全站不住脚，马赫曾经批判到，水桶实验只是说明了离心力的作用，如果水桶的桶壁变得无限厚，这种现象就会改变。归根结底这仍是参考的问题，就好比物体的运动是相对于宇宙中天体的运动；物体的惯性是宇宙中所有天体作用的结果，撤掉一个物体周围的所有其他物质，则无法去判断它作什么运动，因而它也就不再具有惯性。所以水桶实验中凹行为，并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动，还是水相对于众星体的转动，因此也并不能由此得出存在绝对空间的结论，相反地，把水面下凹行为看成是由于水相对于众星体转动，即水桶内壁以外的所有质量的吸引和带动所造成的，则要更自然些。

因此，马赫认为没有所谓的绝对空间和绝对运动，有的只是相对运动。而引力正是宇宙中其他物质对该物质的总作用；并且惯性也同样是宇宙其他其他物质作用的结果，而不是我们经常所说的自身的属性。这样的观点被爱因斯坦称为马赫原理！！

来源：宇宙探索微信公众号（ID：yzdaquan）