200年后,马赫认为,牛顿的说法是错误的,马赫认为,根本不存在绝对空间;转动不是绝对的,而是相对的,产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质转动的结果。
换句话说,木桶旋转的时候,水面凹下去是因为水在运动过程中受到了全宇宙其它物质对它的引力拖拽。也就是说,在马赫看来,惯性力是一种真实的力也就是引力。
我们认真体会马赫的思想会发现,任何有质量的物体都与全宇宙的形体存在着相互作用。任何一个物体的移动,全宇宙的星体的位置都会发生改变,因为物体间存在瞬间的非局部引力相互作用。
而惯性就是这样产生的,星体会对物体的运动产生本能的抵抗,所以惯性是一种拖拽的引力效应,惯性系只能是相对存在的。
马赫这种认为惯性力起源于物质间的相互作用,起源于受力物体相对遥远星系的加速运动,而且与引力有着相同或相近的物理根源的思想,后来被爱因斯坦总结为马赫原理。
五、爱因斯坦对于惯性系的理解马赫的思想启发了爱因斯坦,后者发现了广义相对论。在广义相对论中,可以有局部惯性系,也就是说,我们可以在时空的一个点上谈论惯性系。(注意,这里所说的是“时空”的邻域而不是指三维空间点的邻域)
之所以说在广义相对论中只能在时空的一个点上讨论惯性系,这是由广义相对论的基础等效原理的局域性决定的。这是因为:
第一、惯性离心力与半径成正比,而引力与半径的平方成反比,二者很显然不可能在大的空间范围内等效;
第二、引力场对时空产生内禀效应、使时空弯曲,而惯性场不产生这种效应,不改变时空的曲率;
第三,引力产生于物体间的相互作用,有反作用力;惯性力与物体的相互作用无关,没有反作用力;
第四、惯性场可以通过一个整体的坐标变换加以消除,引力场却不能,所以称引力场为永久引力场,惯性场为非永久引力场。
从第四个区别我们也能看出,其实牛顿的绝对时空与马赫的思想在数学上是等价的。
尽管爱因斯坦认为自己的广义相对论符合马赫原理,但后来的深入研究表明,广义相对论与马赫原理并不一致。这就是说惯性力的起源问题还没有搞清楚,牛顿的木桶实验所揭示的惯性疑难至今仍然存在。
六、惯性系问题只能用物理办法来解决是不是看了前面的介绍,大家瞬间觉得,我不说原来还明白,这一说反倒是不明白了呢?其实面对这样的问题,物理学家们也困惑了很多年,因为不论概念如何描述,我们都需要在现实中找到这样的一个参照系,才能对物体的运动进行测量。
这就是利用实验和测量的办法来构造出一个牛顿惯性系。因为,惯性系不能单纯的从概念的论述中找到答案,物理的问题只能用物理的办法来解决。实验和测量的方法是物理学区别于数学和哲学的最大特点。这就是下面我们要介绍的欧拉自由刚体动力学方程。