牛顿的绝对时空观和马赫的批判

牛顿在《自然哲学的数学原理》一开始就用极其精炼的语言提出了一系列定义，为后来的应用奠定了逻辑基础。其中有:“物理量”、“运动量”、“物质的内在力”(根据:惯性)、“作用力”等等。然后，他以公理的形式揭示了三个运动定律，即惯性定律、运动定律和反作用定律。运动定律陈述如下:(1)，

“法律2。运动的变化与施加的力成正比。并且发生在所施加的力的直线方向上

如前几节所述，牛顿的概念和定律高度概括了前人的工作。

遵循这三个定律，牛顿做出了六个推论。推论1和推论2涉及力的合成和分解以及运动的叠加原理，推论3和推论4，导致动量守恒定律，推论5和推论6，包括伽利略的相对论原理。通过这种方式，牛顿系统化和综合了他的前辈们的独立成就，形成了一个逻辑联系的整体。

在这一理论体系的框架内，有一些基本要素。牛顿在定义的末尾以注释的形式写道，这是他对空间、时间和运动的看法。

关于时间，他写道:“绝对的、真实的和数学的时间本身正在流逝，就其本质而言，它正在均匀地流逝，与任何外部事物无关。它也可以被称为“时期”；相对的、表面的和普通的时间是一种可感知的、外在的或精确的或变化的时间度量。人们通常使用这种度量方法，如小时、天、月和年来表示实时时间。”

关于空间，牛顿写道:“绝对空间，就其本质而言，与外界没有任何关系，但总是相同和固定的。相对空间是绝对空间或其度量的可移动部分，它是通过我们对它在其他物体上的位置的感觉来表示的，通常被认为是一个固定的空间。”

关于运动，牛顿写道:“绝对运动是物体从一个绝对位置到另一个绝对位置的运动。”

“真正的绝对静止是指一个物体在静止空间的同一部分保持静止的事实。”

这是牛顿对时间和空间的绝对观点。牛顿引入绝对时间和绝对空间的概念是绝对必要的，这可以提供一个标准来判断宇宙中的一切是处于静止状态、匀速运动还是加速运动，从而使“力学具有确定的意义”(爱因斯坦)

为了证明“绝对运动”的存在，牛顿举了一个铲斗旋转的例子。他写道:如果一个桶挂着一根长绳子，让它旋转直到绳子拉紧，然后注入水，水和桶暂时静止。然后用另一个力使桶突然向相反的方向旋转，当绳子完全松开时，桶的运动将保持一段时间。水面起初是平的，就像桶开始旋转一样。但是后来，当桶逐渐将运动转移到水中时，水也开始旋转。结果，可以看到水逐渐离开它的中心，沿着桶壁上升形成一个凹形(我以前做过这个实验)。运动越快，水位就越高。直到最后，当水和桶的旋转速度相同时，水面相对静止。水的上升显示了它与旋转轴分离的趋势，也显示了水的真实和绝对的圆周运动。这种运动是已知的，并且可以从这种趋势来测量，这种趋势与相对运动正好相反。开始时，水桶中水的相对运动最大，但它没有离开旋转轴的趋势:水既不向边缘倾斜也不上升，而是保持平坦，所以它的圆周运动还没有真正开始。但是，当相对运动减少时，水倾向于边缘，证明它有离开旋转轴的趋势。这种趋势表明，当水桶中的水相对静止时，水的真正圆周运动不断增加，直到达到最大值。因此，这种趋势并不取决于水相对于周围物体的任何运动，这种运动不能定义真正的圆周运动。”

这就是著名的“水桶实验”。牛顿用这个例子来证明“绝对运动”概念的合理性。

牛顿的“绝对空间”和“绝对时间”概念为他的运动理论提供了一个有效的时空框架。这种绝对时空观在认识空间和时间的客观本质方面是正确的，但它有很大的局限性，因为它认为空间和时间与物质运动无关。

因为绝对时间和绝对空间毕竟是人造的假设，经不起实践和仔细推敲的检验。在过去的两百年里，它引起了许多人的怀疑和争论。到19世纪末，奥地利物理学家恩斯特·马赫(1838-1916)在其《力学史评论》中分析了牛顿力学的基本概念及其所反映的力学自然观，并进行了深入的批判。