這是困擾物理學家近三百年的一個實驗 ，一個定義了絕對空間的實驗，即便物理學家對它的結果很不滿意，但卻一直無法反駁。
這個實驗就是牛頓的水桶實驗。
一個簡單的水桶是怎麽困擾物理學家300年的，它真的有那麽復雜嗎？
這期就給大家詳細聊聊。
慣性系
17世紀牛頓在創立了力學體系之後，他發現了一個致命的缺失環節，就是他的體系需要一個絕對的參考系才會成立。
所以為了給世人證明絕對參考系的存在，他提出了水桶實驗。
而實驗的原理也很簡單，就是透過觀察水的運動。
那要怎麽觀察呢？
牛頓說透過比較。
當我們提到運動時，大家首先會想到什麽？
是不是參照物。
不錯，有了參照物再去討論運動才有意義，因為選的參照物不同，我們所定義的運動結果就不同。
比如火車內的人和火車外的人，他們兩個的視角看到火車內物體的狀態就是不同的結果。
一個看到的是靜止，一個看到的是運動。
所以很明顯，物體的運動狀態是要透過與另一個物體的比較才會清晰。
也就是 相對運動 。
當然這是除過具有加速狀態的運動之外。
加速運動呢，我們在不需要比較的情況下就能知曉它的狀態，比如加速和減速時身體會發生傾斜。
那麽順著這個思路，牛頓描述了這麽一個場景。
水桶內的旋轉
一個裝著水的水桶用繩子吊起來，旋轉它，在最開始的階段桶開始旋轉，但水面是平坦的，之後隨著桶的旋轉，摩擦力也帶動水旋轉，這時水面開始出現凹陷。
這個時候以桶作為參照物我們會發現一個現象：
就是在最開始的時候，桶旋轉但水沒有立即旋轉，所以它們兩個這時存在相對運動，但水面卻是平坦光潔；而之後，當桶帶動水旋轉並與桶的速度相同時，它們兩個這時不存在相對運動，但水面是凹陷。
也就是， 桶和水有相對運動時，水面是平坦的 ； 桶與水沒有相對運動時，水面反而存在凹陷 。
再試想一下，把這桶水放到沒有任何物體的虛無空間會有什麽結果呢，當然，在沒有重力的情況下水的旋轉和地球不一樣。
所以牛頓以被繩子綁著的兩塊石頭來描述，石頭旋轉時繩子會繃緊，那麽在沒有一個參照物的虛空，繩子繃緊表明它正在受慣性力的影響，所以它在旋轉，可是這個時候，它在相對於誰在旋轉。
我們無法找到一個參照，而牛頓認為，這時的它，就是相對於空間本身在旋轉。
這個空間就是他所說的絕對空間。
水桶實驗就是絕對空間存在最好的證明。
在最開始時，水相對於桶有運動，但相對於絕對空間沒有運動，所以水面平坦；之後桶帶動了水相對於絕對空間運動，所以水面存在凹陷。
絕對空間
絕對空間的提出，讓運動有了一個絕對的參照系。
也就是，物體真實的運動是相對於絕對空間的運動，只有相對於絕對空間有運動，它才能稱的上真正的運動。只有相對於絕對空間靜止，它才是真正的靜止。
但，絕對空間是什麽。
它可以被測量，又或者我們可以感知的到嗎。
牛頓並沒有詳細的描述。
當提到實在的物體，比如車、人、風時，我們的腦海立馬就可以知道這些物體具體的內容。
但當提到空間時，腦海一片空白。
我們想象不到它是什麽。
所以用這種虛無縹緲、看不見、摸不著又無法感知的物體去定義物理學中最基本又最重要的一個現象--運動時。
這對於大多數物理學家來說，實在無法接受。
但他們又受困於水桶實驗帶來的困擾。
所以即便不認同，卻又無法打破。
牛頓的水桶實驗就這樣一直困擾著物理學界。
直到兩百年後。
馬赫原理
1883年馬赫在他的著作【力學科學】中提出了一個觀點。
現在我們也常把這個觀點稱為 馬赫原理 。
理解馬赫原理的話，我們再回到牛頓的水桶實驗。
牛頓水桶實驗的問題根本是：水相對於絕對空間旋轉水面就會凹陷。
但馬赫認為，水面之所以會凹陷是因為它受力的影響，而這個力是來自其它物質，比如地球、地球之外其它的恒星，而當我們摒棄這些物質時，這些力也就會消失，水面也就不再凹陷。
所以，水面旋轉凹陷是相對於宇宙所有物質的旋轉，當沒有這些物質時它也就不存在凹陷，那麽，旋轉與不旋轉這時我們已無法感知，
所以這時硬要說它相對於誰在旋轉的話，這本身就是一個沒有意義的話題。
這是百年來第一次撼動牛頓絕對空間的思維。
盡管馬赫的想法也存在著一些無法說清的細節，比如，遙遠的群星是如何影響水面凹陷的，馬赫沒有說明。
但也不影響它（馬赫原理）對物理學家的啟迪。
因為它讓物理學家看到了一種新的可能，一種可以完全拋棄虛無縹緲絕對空間的可能。
這就像是照亮黑夜的燈塔，指引著探索新的方向。
這在某種程度上對愛因史坦產生了深遠的影響。
當然，這也是後話了，這裏我們就不討論了。
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