转动的判定与惯性参照系的判定汇总VIP专享

<四> 转动的判定与惯性参照系的判定有两个物理学问题对于我们把握物质、空间与运动的本质有着重要的意义：如何判定一个物质体系是不是在转动？如何判定一个物质体系是不是惯性系？先引述一下约翰· 格里宾在《大宇宙百科全书》（257～260 页）里写的关于“马赫原理”的词条：“马赫原理，认为惯性是由物体与宇宙中一切其它物质相互作用所引起的思想。伽利略看来最早认识到，不是物体运动的速度、而是它的加速度揭示了是否有力作用于物体。在地球上，总是有外力（如摩擦） 在起作用，所以仅仅为了保持物体的匀速运动也必须一直维持对该物体的推力。但自然趋势则是在无外力作用时保持同一方向的等速运动。可是你参照什么东西来测量速度和加速度呢？艾萨克· 牛顿认为宇宙中存在一个由绝对空间定义的优先参考系。空间是摸不着抓不住的狡猾家伙——你不可能把一个钉子锤进空间并测量你相对于钉子的速度。但牛顿觉得可用旋转物体实验——特别是一桶水——来演示优先参考系的存在。他在1686 年发表的伟大著作《自然哲学的数学原理》中对这种试验的描述如下：‘绝对运动和相对运动的区分，可通过从圆周运动的轴退离的力来看⋯⋯如果旋转一个用长绳挂起来的桶，使绳子拧得紧紧的，然后将桶注满水，并保持桶和水静止；于是，在另一个力突然作用下，桶将反过来旋转，同时绳子将放松自己⋯⋯水的表面开始时是平的，就像桶开始运动之前一样；但随着桶将它的运动逐渐传达给水，水也将开始明显地旋转起来，并一点一点的从中心后退，在桶的边缘升高，变成凹面形状（正如我亲眼所见），而且运动越快，水面升起越高。 ’牛顿这里谈到的就是我们所称的离心力，而他的‘正如我亲眼所见’也是贴切的，因为与他的很多前辈和同时代人不同，牛顿确实进行了实验——他不光是想像理想世界中事物‘应该’如何如何。搅动一杯咖啡， 你就能亲眼见到较小规模的同一现象，咖啡液体被离心力推向边缘（并升高） ，中间留下一个凹坑。但牛顿在这里强调的重要东西，并不是相对于容器的运动，而是在某种意义上的液体的绝对运动。实验开始时，桶运动起来了，尽管水和桶之间有相对运动，但水面仍是平的。后来，摩擦使得水也旋转起来了，尽管现在水相对于桶没有运动，凹坑却出现了。最后， 你可以抓住桶， 使它停止转动；现在桶里的水仍继续转动，水面中央仍有凹坑，恰如被你搅动的那杯咖啡一样。不晓得水是怎么‘知道’它在旋转并做出得体反映的。然而，旋转是相对于什么东西...