很久很久以前

在复杂的物理森林里

有一只旋转的水桶

它转啊转啊转啊……

它怎么也想不到

是命运的安排让牛顿和这只桶相遇

这桶水对于牛顿来说

是绝对时空观点仅剩的一点希望了

今天我们就制作一个，“牛顿命运之桶”

来给大家分析分析“牛顿眼中的绝对时空观”

在水瓶上钻几个对称的孔

将绳子穿进孔内绑好

在瓶中当入适量的水

将绳子缠几圈麻花

提起“水桶”让它转圈圈

发现水瓶中液面凹陷

此时停住水瓶

会发现液面仍在短暂时间内保持凹陷

为使实验现象更明显

我们借助特殊仪器重复一下：

原理解说

这是一段牛顿与水桶不得不说的一段往事！

听过相对论讲座的朋友们应该知道，时间空间都是相对的

（直播全程，请戳链接）

运动这种结合了空间和时间的行为，更是相对的了，如果你想象一个做匀速直线运动的物体，你总能以他为参考系，找到一个和物体相对静止的参考系。当大家逐渐准备接受相对时空观的观点时，牛顿提了一只水桶站了出来。

正如上面实验中的那样，我们在旋转之前如果以水桶为参考系，可以看到水面和桶是相对静止的。但是当我们将里面的液体旋转起来，让桶和水保持同样的角速度时。这时如果再以桶为参考系，你就会发现，这种凹液面竟然是自发的，重点是这种凹液面不依赖于水桶和水之间的相对运动状态。于是他认为这种旋转运动就是绝对的。

后来奥地利物理学家马赫站出来说，凹液面的生成是因为水相对于宇宙间星辰做旋转运动，这些宇宙中的物质对水的“引力”使得水产生凹液面。如果桶壁的厚度变成好几公里后，就能屏蔽掉这些引力……

啊这，放在今天我们当然知道，马赫当然也是瞎猜的，这根本不可能证伪嘛。但这也确确实实的启发了爱因斯坦——非惯性系中的惯性力也是一种“引力”的表现，你可以感受感受乘坐电梯时候的失重和超重的感觉。关于惯性以及惯性力起源的观点被爱因斯坦命名为“马赫原理”，马赫也被誉为“相对论的先驱”。

图 | 牛顿的水桶实验 来源：Hindawi Publishing Corporation

接下来我们从一个个“水单元”的角度来解释一下这个水为什么会产生凹液面。

当“水桶”转动时，桶壁的摩擦力使得外层的水分子随之转动，由于液体的粘性，渐渐内部的水也开始转动，并且液体各个部分的角速度逐渐趋于一致。这个粘性呢，其实就是液体间的内部摩擦力，正是这个内部摩擦力的存在，使得物体各液层不会相互滑动、放飞自我地各自流淌。

但是，小水滴，你转动就转动吧，为甚么要产生这么一个凹面呢？

正如我国著名的唐朝大诗人李白所言：长相思兮长相忆，物理分析靠受力。我们就从液面中选取一小块液体，分析一下它的受力情况。这一小块液体非常小，它的质量为Δm_i，距离转轴的距离是r_i。

由此可见，如果液面是平的话，小液滴的受力是平衡的。如果想要旋转时小液滴处于动态平衡状态，支持力N应该与另外两个力的合力等大反向。因此，液面的确是倾斜的，那么这个倾斜角θ是多少呢？

首先由受力平衡

而对于小液滴所在的一小片区域而言，有

同时

连立两个式子

当小液滴很小很小的时候，

积分可以得到

由此可见，液面为一个抛物面。

关于这只桶的后来嘛，爱因斯坦的广义相对论方程也就被提了出来，牛顿的绝对时空的最后一根救命稻草，也成了压死绝对时空的最后一根。牛顿看了想打人。

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