这就是为什么理解太空如此困难

我如果宇宙中所有的物质突然消失，空间还会存在吗?艾萨克·牛顿是这么认为的。在他的想象中，太空是这样的《星际迷航》的全息甲板，一个三维虚拟现实网格，模拟的人、地点和事物被投射到上面。正如牛顿在他的书的前几页所说的原理绝对空间，它本身的性质，不涉及任何外部事物，始终是同质的和不可移动的。¹

这在日常生活中似乎很有说服力。我往东走，你往西走，邮局没有动:参考框架没有动。但与牛顿同时代的德国数学家和哲学家戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)对绝对空间的想法持反对态度。他认为，如果把构成宇宙的各种物体拿走，那么“空间”就不再有任何意义。事实上，莱布尼茨的例子在你进入太空后开始显得更加有力，在太空中，你只能注意到自己与太阳、各种行星以及彼此相对运动的物体之间的距离。莱布尼茨认为，唯一合理的结论是，空间是“关系的”:空间就是关系是你和那些不同物体之间不断变化的距离(以及它们彼此之间的距离)，而不是“绝对的现实”。²

牛顿回答说，恰恰相反。绝对空间的影响是相当明显的。艾萨克爵士做了一个实验来证明这一点:一桶旋转的水。虽然这个实验听起来很简单，但它引发了一场关于空间、时间、运动、加速度和力的本质的争论，这场争论一直持续到今天。

自从数十亿年前太阳系形成以来，地球就一直在旋转，赤道“鼓出来”，就像旋转水桶里的水一样。

在原理牛顿让我们想象一桶水，用绳子把它吊在把手上。顺时针转动桶，绳子就卷起来了。当你放手的时候会发生什么?桶开始逆时针旋转，开始缓慢，然后更快。但也会发生一些其他的事情:正如牛顿所写的，水面“会从容器的中间逐渐后退，并沿容器一侧上升，形成一个凹形。”一会儿，水桶和水一起旋转。最终，铲斗减速，旋转反转;水流也变慢了，再次逐渐变平。

高中学生学习“离心力”——给它起个名字很好——但是到底是什么导致水在桶边缘上升呢?牛顿观察到，它不可能是水相对于桶的运动，因为当水与桶“同步”旋转得最快时，水的表面扭曲得最厉害。当然，水桶和水是相对于地球旋转的，但这也不能作为解释，因为牛顿相信，在太空中进行类似的实验，也会产生相同的结果。

对于牛顿来说，解释桶实验的唯一方法就是说水是相对于绝对空间旋转的。这意味着调用惯性-另一个关键的想法原理物体对速度或运动方向变化的阻力。当桶与水旋转时，桶的两侧阻止水沿直线运动;相反，它把球推向篮筐。

但是为什么物体有首先是惯性吗?19世纪，奥地利物理学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)开始相信，任何对运动和惯性的解释——包括水在旋转水桶中的运动——都只能通过与宇宙中其他物质的联系来理解。对于马赫来说，这个桶的放大版可以在地球上看到:自从数十亿年前太阳系形成以来，地球一直在旋转，它的赤道“鼓出来”，就像旋转桶中的水一样。马赫想知道:如果地球的自转可以停止，而让其他行星和恒星围绕它旋转，地球的赤道还会凸起吗?

牛顿会说不:没有旋转，就没有凸起。但是马赫意识到答案取决于物体的惯性来自哪里。如果这是宇宙中大量物质的结果，那么当其他行星和恒星围绕它旋转时，这颗行星确实仍然会膨胀。^3.这就是莱布尼茨的关系图:不仅运动是相对的，而且惯性，马赫认为，也是衡量的关系物体和宇宙中其他物质之间的联系。如果马赫的观点是正确的，那么恒星和星系，无论远近，在某种意义上，都是地球的形状和牛顿旋转水桶中水的凹形的原因。但是马赫没有说如何那些遥远的恒星和星系发挥了它们的影响——即使在今天，答案也远未明确。

也许马赫最热心的读者是年轻的阿尔伯特·爱因斯坦，他后来努力把他所说的“马赫原理”即一个物体的惯性依赖于整个宇宙中物质的聚集，这一观点被引入了他的引力理论——广义相对论。

爱因斯坦理论的压倒性成功是对牛顿绝对空间理论的最后一击——但没有绝对空间，我们仍在努力理解牛顿的理论。在他的畅销书中宇宙的结构物理学家布莱恩·格林解释说，尽管爱因斯坦的理论推翻了牛顿的绝对空间理论，但它在其位置上给了我们其他东西——一种称为时空的四维结构——这就是格林认为,是绝对的。你和我可能不同意游行的持续时间，或者游行者走过的距离，但我们会同意从游行开始到结束的总距离。这很难想象，因为我们看不到四维空间，但爱因斯坦理论中的方程保证了这一点。

然而，这并不是格林对这件事的最终结论。物理学家现在怀疑“希格斯场”(Higgs field)弥漫在宇宙中，人们相信它赋予粒子以质量。尽管爱因斯坦的时空可以作为测量加速度的参考系，但希格斯场的作用更好:通过对任何经过它的物体提供阻力，它可能首先解释了为什么物体有惯性。

亚利桑那州立大学的物理学家保罗·戴维斯(Paul Davies)提出了另一个观点，他指出，“空”空间实际上是一个沸腾的泡沫，由短暂存在的亚原子粒子组成，它们时而出现，时而消失。量子“真空嬉戏,他说，可以作为绝对空间的替代品。

三个多世纪后，牛顿的旋转桶所引发的关于空间和运动，关于质量和惯性的问题仍在继续麻烦物理学家和哲学家。某物但它到底是时空结构，还是希格斯场，还是某种量子泡沫，仍有待观察。

丹·福尔克是多伦多的一名科学记者。他的著作包括莎士比亚的科学和《寻找时间》．在推特上关注他@danfalk．

参考文献

1.科恩，I.B.和惠特曼，A。艾萨克·牛顿/《原理》:自然哲学的数学原理:一个新的翻译加州大学伯克利分校出版社(1999)。所有引自的原理都来自这个版本。

2.亚历山大,H.G.莱布尼兹-克拉克通信，连同牛顿的原理和光学的摘录曼彻斯特大学出版社(1956)。

3.巴博，J. &菲斯特，H.(编)马赫数原理:从牛顿的桶到量子引力（爱因斯坦研究，第6卷) Birkhäuser，麻省波士顿(1995)。

看:宇宙膨胀的原因。

这篇经典的事实如此浪漫的文章最初发表于2016年1月。