时空到底是绝对的,还是相对的?这是我们在初中时最初接触物理时便开始思考的问题。

我们知道,牛顿力学体系的建立被视为现代科学诞生的标志,但牛顿并不是近代物理学的开拓者,近代物理学的开拓人物之一是伽利略,而伽利略所持的就是相对的时空观,著名的相对性原理就是由伽利略所提出的。伽利略认为世界上并不存在绝对的参考系,而只有相对的参考系,所以在一个惯性系统内部是无法通过实验来测得这个系统的运动速度的。

通俗一点来讲就是,如果我们身处于一列高速行驶的列车之中,那么无论我们进行任何实验,都无法测得列车的行驶速度。真的是这样吗?让我们仔细思考一下,似乎的确如此,如果我们在一列静止不动的列车上向前投掷物品,它落在前方5米处,那么我们在一列超速行驶的列车上以同样的力量投掷物品,它相对我们而言,依旧是落在前方5米处。

尽管我们所投掷的物品相对于地面而言,已经前进了非常远的距离,但处于车厢内部的我们是无从得知这一点的,我们看到的只是物品落在了前方5米处,所以处于惯性系统内部无法通过实验来测得系统的运动速度,这就是伽利略的相对性原理。

后来,牛顿出现了,我们都知道,牛顿所持的是绝对的时空观,那么面对伽利略的相对性原理,牛顿如果来证明自己的绝对时空观呢?他选择了一只木桶。牛顿的木桶实验非常简单,当我们把一只木桶装满水,静止放置在地面上,那么木桶内的水面是平直的,但如果我们将这只木桶高速旋转,那么会发生什么呢?木桶内的水面将不再平直,它会从四周向中心凹陷。

即便是处于水桶内部,仍然可以通过水面的变化而清晰地得知水桶是运动还是静止,这个实验说明了,在世间一定存在着一个绝对的参考系,至此,牛顿的绝对时空观得到了证明。

后来牛顿将这个绝对静止的参考系称之为“以太”。虽然牛顿的木桶实验极具说服力,但并不是所有人都买账,一些科学家就提出了质疑,他们认为木桶实验中仍然存在着相对的参考系,因为木桶的旋转是相对于地球而言的,如果木桶不动,让地球相对于木桶高速旋转,木桶里的水一样会向下凹陷。虽然牛顿的绝对时空观遭到了一些质疑,但大多数科学家还是支持他的观点的,特别是当人们发现光竟然可以在真空中传播之后。任何物质的传播都需要介质,光怎么能够在真空的环境中传播呢?它一定也是借助了某些介质,而这种介质很可能就是牛顿所说的“以太”。

虽然“以太”这个东西看不见也摸不着,但自它被提出以来,大多数的科学家都对此深信不疑,其中就包括这么两个人:迈克尔逊和莫雷。

一个逻辑思维正常的人,一旦深信某一件事情,就一定要设法找到这件事物存在的确实证据,于是迈克尔逊和莫雷决定进行一个实验,来证明以太的存在。

既然光是在以太中传播的,而以太相对于地面具有一个速度,那么如果光传播的方向与以太相对于地面运动的方向是相同的,那么光相对于地面的速度就应该是光速加上以太的速度;如果光的方向和以太运动方向相反,那么光相对于地面的速度就应该是光速减去以太的速度;如果光的方向垂直于以太的运动方向,那么就可以通过勾股定理求得光相对于地面的移动距离。总之,只要以太存在,光不管向哪个方向运动,都不会是单纯的光速。

以太相对于地面为什么一定会是运动的,而不能是静止的呢?因为地球在高速自转的同时,又在绕着太阳高速公转,而太阳则以更快的速度带着地球绕行银河系的中心,所以广泛存在于宇宙之中的以太,不可能相对于地面总是绝对静止。

基于上述原理,迈克尔逊和莫雷设计了实验装置,经过无数次的实验,他们不仅没有找到以太,反而证明了以太并不存在。迈克尔逊-莫雷实验使牛顿的绝对时空观跌落了神坛,也使整个科学界陷入了迷茫,直到爱因斯坦出现,他告诉人们,光的传播不需要参考系,因为它在任何参考系中的速度都是恒定不变的,所以不同参考系下,时间、空间和距离都会发生变化,这就是爱因斯坦的相对时空观,从此,人类由牛顿的时代跨入了爱因斯坦的世界。

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来源: 原创

牛顿用木桶证明了绝对时空观,却终被推翻,相对时空观才是对的?

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时空到底是绝对的,还是相对的?这是我们在初中时最初接触物理时便开始思考的问题。