2.1 水桶思想实验
——寻找空间存在的证据

如果我们根本不能探测到空间，或者对其有所作用，我们还能宣称空间真的存在吗？牛顿认为空间是实际客观存在的，而且他试图通过实验去验证空间的存在，牛顿曾经在一颗苹果树下思考出万有引力定律，这次他通过观察一个水桶实验寻找空间存在的证据。

牛顿的水桶实验非常简单：把一只水桶装满半桶水，然后用绳子将水桶吊起来，再把绳子一圈圈紧紧地拧成麻花形状，使得松手后水桶可以旋转起来。当拧紧松手后，水桶会旋转起来，最开始，水桶里的水按照惯性处于静止状态，水在桶中还是平坦的，然而随着桶旋转的速度越来越快，水则会受到摩擦力作用也开始旋转起来。当水开始旋转之后，水的表面会慢慢变成边缘高中心低的凹陷状态。

当水桶松开后，桶和其中的水会一起旋转起来，水的表面呈凹陷状，这个现象对于很多人来说也许并不陌生，很多人小时候可能都玩过类似的游戏。然而，就像很多人都见过苹果掉到地上，但也只有牛顿去思考为什么苹果会掉到地上，这次牛顿思考的是，水的表面为什么会呈现这样的形状？也许很多人认为这个问题非常简单，水桶旋转的时候，水会受到来自水桶侧壁的压力，在这种压力下，水只能沿着水桶侧壁向上延伸。这种解释有一定的合理性，然而并没有抓住牛顿问题的根本，牛顿想要了解的问题本质是——水是相对于什么在旋转？也许又有人认为这个问题也很简单，水当然是相对于水桶在旋转，然而再仔细推敲一下又发现这样的解释其实并不严谨。试想一下，在水桶最开始旋转的时候，桶和水之间一定会有相对运动，这是因为桶转动起来的时候水不可能立即就动，而且即使水动起来了，水的表面也会在一段时间保持平的状态。水桶旋转一小会儿之后，水也随之旋转起来，这时水和桶之间没有相对运动了，然而水的表面却凹陷了下去。所以，如果以水桶作为参照物的话，那么得出的结论反而恰恰相反，当有相对运动的时候，水面是平的，而没有相对运动的时候，水面却凹下去了，也就是说，并不是水相对于水桶的转动，导致了水面的下凹。

看来，我们不能简单地将水桶作为水运动的参照物，这种解释存在一定逻辑上的漏洞。可能有人会想，水就算没有相对水桶在转动，但也可能是因为水相对于旁边的观察者在转动，所以水面是下凹的。但是如果观察者也跟着水桶一起转起来呢？这个一起随桶转动的观察者依然会看到水面是下凹的，所以水相对于观察者自己的转动，也并不是水面下凹的原因。有人可能会进一步反驳，水在相对于地球转动，然而这依然没有严谨地解答牛顿的问题，因为这个问题可以继续延伸下去：那地球和月球的转动相对于谁？如果是太阳，那地球和太阳的转动又相对于谁？如果是银河系的中心，那整个银河系的转动又相对于谁？如果一直这样追问下去，总是需要有一个静止不动的终极容器，来作为水桶里水转动的参照物，以此解释桶内水的凹陷形状。

牛顿认为，这个终极容器就是空间本身，空间就是它自身的静止参考系。宇宙中所有物体都存在于空间，并且所有的运动都发生于空间，虽然这个空间是看不见、摸不到，也听不见、闻不到的，但空间的确是存在的，并且是永不改变的，所以牛顿也称其为绝对空间。牛顿就这样通过绝对空间解释了水桶实验，实验开始的时候，桶相对于绝对空间旋转，而水相对于绝对空间静止，因此水的表面是平的，随着水的旋转速度慢慢接近于桶的速度，水也相对于绝对空间旋转起来了，所以水的表面就成了凹陷形状。因此，尽管水与桶之间的相对运动解释不了实验现象，但是水与绝对空间之间的加速运动就解释了这一点，加速运动为绝对空间的存在提供了可观测的证据，旋转水桶的实验现象恰好说明了空间本身是存在的。

牛顿在他的《自然哲学的数学原理》里写道：“绝对空间就其自身来说，保持着静止状态。”在他的观念和理论里，绝对空间是静止的，宇宙中的任何其他东西都相对于它运动，所有物体的位置、距离、速度都是相对于这个固定不动的空间来说的。另外，在这个绝对空间里测量速度，还需要有一个绝对普适的存在，那就是时间，所以，在牛顿的理论体系里，时间也是存在的，并且时间也是绝对的。牛顿在《自然哲学的数学原理》里还写道：“绝对时间的流逝不依赖于任何事物”，也就是说，无论在宇宙的任何地方，无论运动的速度有多快，所经历的时间是完全一样的。对于一座放置在宇宙边缘的钟，或者一座在宇宙中高速穿梭的钟，都可以和地球上的钟一样，用同样的分、秒来计时，这也意味着，位于宇宙两侧的两个观察者在相向而行时，可以同时校正他们的时钟。 G9HoeTPcCzqlRe+HVu8CBRpE0Vc9va3e2ABY7+C/sVWzB0AU+lFzDPb4MdS5t7fr