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《时间的形状》牛顿水桶实验中的绝对时空观

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牛顿转身在黑板上画了一个大大的水桶的俯视图,又在水桶的里面画了一些水,要不是牛顿一边画一边解释这是什么,Tom和Jerry都会以为牛顿在画大饼。

牛顿:“我们下面来做一个水桶实验。Jerry你看到我画的这个装着半桶水的水桶了吗?外面这一圈就是桶壁,里面都是水。

【图2-5】牛顿的水桶实验

“现在,Jerry你想象你的身体突然缩小了,缩得很小,然后我把你固定在水面附近的桶壁上,让你可以很方便地看到水的状态。注意了,我现在用一根绳子把水桶吊起来,然后我把水桶这么用力一转,于是水桶就转起来了。Jerry,你,在水桶里面感觉好吗?”

Jerry:“教授,感觉很不好,我的头要晕了,我的眼睛在冒金星。”

牛顿:“坚持住,孩子,集中精神,观察水面。”

Jerry:“放心吧,教授,我能坚持。”

牛顿:“Tom,我已经跟你们讲过我的第一运动定理,物体会保持自己的惯性。水桶在刚刚开始旋转起来的时候,整个水体因为要保持惯性,不会马上跟着转起来,水桶会转得比水快很多,这一点不用怀疑。那么在水桶刚开始旋转的时候,在Jerry眼里看来,水相对于他开始转动起来了,我们现在向Jerry求证一下,看看是不是这样。Jerry,快点告诉我你看到了什么?”

Jerry:“教授,我听到你跟Tom说的话了,正如你所说,我看到水转动起来了。”

牛顿:“很好Jerry,我们都知道一个旋转的物体会产生向外的离心力(准确地说是向心力),这个离心力表现在一个呈圆柱形的水体中,就会使得水面中心向下凹陷,这是我们在生活中经常观察到的现象。Jerry,你看下水面发生了什么。”

Jerry:“教授,我看到水面依然平静如故,没有往下凹陷,这可真奇怪了,我明明看到水在我眼前转动啊?”

牛顿:“Tom,看到了吧,在我们眼里,转动刚开始的时候水面不凹陷非常正常,因为在我们眼里水由于惯性还没转起来嘛。换句话说,水相对于绝对空间尚处于静止状态,但是对于桶壁上的Jerry来说,他把自己视为静止状态,所以水相对于他就是转动的。现在我们稍等一下,因为水的黏着力,我们俩会看到水桶会带动着水最终一起旋转起来,然而对于桶壁上的Jerry来说,水就慢慢变成静止的了。Jerry,你现在看到了什么?”

Jerry:“教授,我看到水越转越慢,越转越慢,快要不动了。哦天哪,太不可思议了,水面正在向下凹去,这真是我这辈子见过的最不可思议的景象,水停止了旋转,而水面凭空就凹下去了,但是又没有旋涡,就好像水面上有一个无形的大铁球把水给压下去了一样!”

牛顿:“你看,在Jerry眼中的神奇景象,在我们眼里看来平常无奇,原因很简单,此时的水相对于绝对空间开始旋转起来了,这个旋转的本质不因观察者所取的参考系而改变。好了Jerry,我现在把你复原,你回来吧。”

Jerry擦了擦汗:“这真是一次奇妙的经历,教授!”

牛顿:“让我们再来回顾一下刚才那个水桶实验,如果运动都是相对的,没有一个绝对参考系的存在,那么桶壁上的Jerry应该看到水面是先凹后平,因为在Jerry眼里,水相对于自己是从转动到静止的。但是实际上Jerry和我们一样都看到了水面是先平后凹的,这就是绝对空间存在的证明。”

牛顿得意地说完,看着Tom和Jerry,俩人还愣着呢,一时半会儿反应不过来。牛顿的水桶实验虽然具备大智慧,但却并不能让所有人满意,物理学界对这个实验的质疑声从来就没有停止过。但毕竟牛顿的光芒实在太耀眼了,其他人的声音很难发得出声响。

Tom:“教授,你的这个思维实验太伟大了,我折服了。”

Jerry:“教授,我恐怕一下子还不能完全理解,让我回去再想想。”

牛顿:“Jerry,看不见摸不着而又真实存在的东西有很多,不只是绝对空间,还有一样东西,你也看不见摸不着,但是我们谁也无法否认它的存在,那就是——时间。你们说说看,时间是什么?”

Tom:“时间就是生命,时间就是金钱,时间就是知识,时间就是胜利,时间就是丰收,时间就是灵感,时间就是思考。”

Jerry:“时间就是教堂的钟声,时间就是太阳的东升西落,斗转星移,我说不清楚时间是什么,但我分明感受到时间在流逝。”

牛顿:“时间是它自个儿的事情,它真实存在但又与外在的一切事务都无关,它绝对地、均匀地流逝,不与任何性质相关,任何力量都无法改变它绝对不变的频率。威斯敏斯特大教堂的钟声12点整敲响,它就是12点整敲响,不会因为你在洗澡还是在跑步而改变它12点整敲响这个本质。Tom在伦敦,Jerry在巴黎,如果忽略声音的传播时间的话,当钟声响起的时候,你们都应当听到钟声,在听到的那一刹那你们俩若有心灵感应,你们会同时感受到对方传递的感受。时间对于世间万物都是公平的,上帝他老人家既像一个慷慨的施主又像是一个超级吝啬鬼,不论你是国王还是乞丐,他老人家从不……”

此时,下课铃响了,Tom和Jerry几乎是在铃声响起的同时消失在教室门口,消失速度之快,甚至让牛顿都怀疑时间是不是真的存在了。

“……多给一点也不少给一点。”牛顿对着空气(他早就习惯了)把最后一句话说完,也夹着讲义走出了教室。

牛顿的时空观符合我们大多数人的日常生活体验,因此,牛顿的这套思想体系我相信也很容易被各位读者所接受。况且,和牛顿的想法一样本身就是一件多么值得自豪的事情啊,牛顿那就是跟神一样的存在,他是当时物理界的泰山北斗,他是物理界的教皇,牛顿说出的话就像是来自上帝的启示。牛顿的绝对时空观被郑重地写入他那本神书《原理》中。神书之所以是神书,是因为用神书中所描述的定理可以准确地预测月食、日食发生的时间,精确到分秒不差,还能通过计算,预言当时尚未被观测到的太阳系行星的存在(海王星)。当预言被证实的时候,牛顿和他的神书的声誉达到了空前的顶峰,再没有人怀疑神书中描述的任何事情,牛顿的经典世界观大有千秋万载、一统江湖之势。

然而,就在牛顿死后又过了一百多年,一系列的物理实验都得到了让人匪夷所思的结果,这些结果让物理学家如此诧异,以至于他们一次次地怀疑自己的实验设备是不是出了问题。但是所有的实验被一再地重复,而且实验结果都在无情地推翻着牛顿的绝对时空观,整个物理界都陷入了疯狂,物理学遇到了前所未有的危机。如若牛顿地下有知,他一定会说:“上帝啊,这一切到底是怎么了?”

如果说到目前为止,本书所说的一切都还让你觉得这个世界就是我所认识的那个天经地义的世界,那么,接下去发生的一切,都将慢慢颠覆你的常识,开始挑战你的思维极限。