绝对空间理论的发展

惯性框架在哪里，或者什么样的参考框架是惯性框架？深入研究发现，理论和实践中存在根本困难。首先，要问什么是惯性系统，答案是惯性系统是建立惯性定律的参考系统，也就是说，在这个参考系统中，不受外力影响的物体总是处于静止或匀速直线运动的状态。不受外力影响是什么意思？也就是说，在惯性系统中处于静态或匀速直线运动状态的物体不受外力的影响。这让我们回到什么是惯性系统的问题上。这是一个逻辑循环，无助于解决什么样的参考系统是惯性系统的问题。其次，在实践中，地球是一个相当好的近似惯性系统。我们观测实验室中的许多机械现象可以把地球看作惯性生活费用。然而，地球绕自己的轴旋转，并围绕太阳旋转。一些机械现象显示了地球的这种旋转效应，如惯性离心力、科里奥利力等。因此，地球不是一个严格的惯性系统。太阳及其邻近恒星的参照系是比地球更好的惯性参照系。进一步的研究表明，太阳是银河系中一颗普通的恒星。它与银河系中的其他听音恒星一起围绕银河系中心旋转，做变速运动。因此，太阳参考系不是一个严格的惯性系统。根据这一经验，我们可以把一个较大天体系统的平均静止参照系接近一个严格的惯性参照系。似乎我们可以不断接近惯性系统，但我们找不到一个严格的惯性系统。在的例子中，我们有控制物体运动的力学定律(牛顿定律)，但是我们不能确定牛顿定律建立的惯性系统。牛顿的力学理论就像是建在海滩上的建筑。牛顿在他的力学理论中知道这个脆弱的基础。他的解决方案是引入绝对空间。他想相信绝对空间是存在的，“绝对空间，就其本质而言，总是相同的和固定的，与外界的任何事物都无关”，这样，无论物体是静止的、匀速运动的还是变速运动的，都可以在绝对空间中加以区分，从而可以确定惯性系统和非惯性系统。为了说明绝对空间和绝对运动的存在，他提出了一个著名的“桶实验”，其效果如下。一个装有一半水的桶挂在一根紧紧缠绕的绳子上。松开手后，铲斗和水的运动经历以下三种情况:(1)首先，铲斗在绳索的作用下快速旋转，恢复到原始状态。由于水和水桶之间的粘滞力很小，水还没有旋转，水面是平的；(2)在长时间的粘滞力作用下，水和桶一起旋转，水在惯性离心力的作用下被挤压到桶壁上，水面凹陷；(3)让水桶突然静止，水仍然在旋转，水面仍然是凹的。牛顿对上述实验结果的分析表明，在(1)和(3)两种情况下，水相对于桶移动，但前者的水面是平的，而后者的水面是凹的。在情况(2)和(3)中，不管水是否相对于桶移动，水面都是凹的。因此，水相对于桶的相对运动不是水面凹陷的原因。水面凹陷的真正原因在于空间中水的绝对旋转，这是由惯性离心力造成的。这表明有一个绝对空间可以观察到物体的绝对运动，加速度是绝对的。·牛顿的绝对空间和绝对运动继承了人们的直觉，即空间和时间物质及其运动从古至今都是相对独立的，并且被大多数人所接受。哲学家康德也支持这一观点，他说。“我们永远无法证明没有空间，但我们可以想象空间中没有物体。”然而，牛顿的绝对空间和绝对运动受到了他同时代人的批评。其中有著名的莱布尼茨和贝克勒。莱布尼茨认为，任何与物质对象分离的空间概念在哲学中都是不必要的。贝克勒指出，空间是“永久的、自我存在的、无限的、不可分割的、不可改变的东西”，是“有害的、荒谬的”。然而，他们未能提出任何想法，也未能发展出新的动力理论来取代牛顿的理论。然而，他们看似非常批判的批评对未来有潜在的影响。对牛顿绝对空间的第一次建设性批评来自200年后的奥地利物理学家和哲学家马赫。马赫在1883年出版的《力学评论》一书中，深刻地批评了牛顿的绝对空间和绝对运动。关于牛顿的“桶实验”，书上写道:“牛顿的旋转桶实验只告诉我们，水相对于桶壁的相对旋转不会产生很大的离心力，离心力是由水相对于地球和其他天体的质量的相对旋转产生的。如果桶壁越来越厚，直到有几英里厚，那么没人能说得出这个实验会产生什么样的结果。”“如果你修好水桶，让星星旋转，你能再次证明离心力是否存在吗？”在马赫看来，牛顿桶实验中的凹面行为不能区分水是相对于绝对空间旋转还是相对于恒星旋转。因此，不能断定有绝对空间。相反，更为自然的是将水面的凹陷行为视为由水相对于恒星的旋转和桶内壁外的质量的吸引和驱动而引起的。·马赫从对我们世界的非凡的哲学观点出发，深刻地批判了牛顿的绝对空间。他在书中写道:“我们绝不能忘记，世界上的一切都是相互关联和相互依存的。”应该注意马赫对相互联系、相互依赖和相互影响的强调。只有一方依赖于另一方而不依赖于另一方，一方可以影响另一方而不影响另一方的东西是不存在的，是虚构的，“与科学的思维方式相矛盾”(爱因斯坦)。在牛顿力学中，绝对空间是如此虚构，以至于它会影响物体的动态特性。例如，惯性定律只适用于相对项，但物质的运动反过来不会对绝对空间产生任何影响。因为它是一个虚构的东西，不能被人们的经验所证实，所以应该被排除在科学之外。总之，马赫的观点是，物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，所以不仅速度是相对的，加速度也是相对的。非惯性系统中物体的惯性力不是“虚拟的”，而是重力的表现，是宇宙中其他物质对物体的总作用。物体的惯性不是物体本身的属性，而是宇宙中其他物质作用的结果。马赫的精辟见解被爱因斯坦命名为马赫原理。·马赫的批评给人们对运动和惯性的理解带来了巨大的变化。牛顿认为绝对空间和绝对运动是存在的。物体的惯性是它自己的属性。如果一个物体周围的所有其他物质都被移除，该物体将由于自身的惯性而产生惯性运动。另一方面，马赫认为根本没有绝对空间和绝对运动。物体的运动与宇宙中天体的运动有关。物体的惯性是宇宙中所有天体活动的结果。如果一个物体周围的所有其他物质都被移走，就不可能判断它在做什么运动，所以它不再有惯性。·马赫的独特思想深刻地指出了牛顿力学理论基础的缺陷。同时，它也指出了改变牛顿力学理论的机会，即放弃绝对空间和绝对运动，把物体的惯性与宇宙中所有其他物质对它的作用联系起来。建立狭义相对论后，·爱因斯坦意识到“狭义相对论只是必然发展过程中的第一步”，他有时会思考狭义相对论的缺点。一方面，狭义相对论指出所有惯性系统都是等价的，速度是相对的，没有绝对静止的惯性系统，因此狭义相对论否定了一个优越的参考系统(绝对静止的惯性系统)；然而，它确定了一种特殊的优越参考系统，即惯性生活费用，这优于非惯性系统，其中物理定律特别简单。然而，狭义相对论无法回答为什么惯性参照系在物理上优于其他参照系。另一方面，狭义相对论指出，物理效应传播的极限速度是光速，因此狭义相对论在整个物理学中排除了超距离效应。重力是力学研究中的一个重要课题。然而，牛顿的引力定律是以一种超越距离的方式表达的。牛顿的引力定律与狭义相对论不相容。因此，有必要发展一个更广泛的相对论，包括重力，并能回答是否有一个特别优越的参考系统。马赫的思想无疑是对爱因斯坦的一个重要启示。爱因斯坦曾经说过:“马赫可以被认为是广义相对论的先驱，这是非常正确的。”