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宇宙中引力的發現,以及馬赫與愛因斯坦的空間研究

空間究竟是人為的抽象還是物理實體呢?我們來想象一個不同於馬赫的想象、並非完全空無一物的宇宙。在這個宇宙中有一些星星在天際閃閃發光,在這樣的環境下,你再來進行外太空旋轉試驗,這個時候那些星星即使由於距離的原因,他們只有螢火般大小的微光就可以用以標定你的運動狀態。開始旋轉的時候遠方的星光圍繞著你轉,既然遠方的星光已經為你提供了一種可以看到的方式來確定旋轉與否,你會覺得自身也可感受到這種區別。

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但是遠方的星星如何才能做到這一點呢?它們的存在與否是如何開始或關閉你感知旋轉的能力,或者更一般地說感知加速與否的能力呢?如果在一個只有少數距離、很遠的星星的宇宙中,你能夠感受到旋轉運動,這是否意味著馬赫錯了呢?或者正如牛頓所言,在一個空無一物的宇宙中你仍能夠感受到旋轉。對於這一意義,馬赫給了一種回答。根據馬赫原理,在一個空蕩蕩的宇宙中你不會感受到你是否旋轉,更準確地說,根本就沒有旋轉或不旋轉這樣的概念。

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另一方面,再由群星以及其他我們真實宇宙中存在的事物組成的宇宙中旋轉的時候,你會感受到你的手臂及大腿受到一種向外伸展的力的作用,你自己可以試一試。那麼現在就是問題的關鍵所在了,在一個既不是完全空無一物又沒有我們的宇宙那麼多的物質的宇宙中,馬赫認為你在旋轉時所感受到的力介於零和在我們的真實宇宙中所感受到的力之間。也就是說,你所感受到的力正比於宇宙中物質的數目。在一個只有一顆星星的宇宙中,在旋轉時所感受到的力極小,有兩顆星星存在的話感受到的力會大一點。以此類推,一直到其中的物質與我們的真實宇宙的物質一樣多的時候,你在旋轉時所感受到的一切會令你十分熟悉。

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按照這種方法,你從加速運動中所感受到的力實際上是宇宙從所有物質的一種累加效果。當然,這種觀點對於所有的加速運動都成立,而不是僅僅是用於旋轉。你所乘坐的飛機加速離開跑道的時候、你開著車伴著刺耳的聲音剎住的時候、你所乘的電梯開始攀升的時候。馬赫的想法告訴你,你所感受到的力是組成宇宙的所有物質的共同願望,如果宇宙中的物質更多,你所感受到的力也應該更大。如果宇宙中的物質更少,你所感受到的力也應該更小,而如果宇宙中沒有物質存在的話那麼你將什麼都感受不到。

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所以按照馬赫的方式思考,實際上重要的只有相對運動和相對加速度。當你相對於宇宙中其它物質的平均分佈加速的時候,你才能夠感受到加速運動。什麼其他物質都沒有的話,沒有任何可以參考的基準,那麼馬赫則認為沒有辦法感受到加速運動。對於大多數的物理學家而言,這是在過去150年間關於宇宙的看法中最誘人的一種,令幾代物理學家深感不安的那種觸不到、抓不著、理解不了的空間真的就是可以用來作為衡量運動的、根本的、絕對的基準嗎?

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對於很多人來說這實在是太荒謬了,至少在科學的意義上基於某種完全感覺不到的、大大超過了我們的認知範圍的、甚至可以說接近神秘的東西來理解運動,這樣的做法並不可靠。

但是這些物理學家們也同時受困於如何解釋牛頓的水桶。馬赫的見解之所以能夠帶來一股興奮之情,完全在於他發現了新解釋的可能性,而其中空間並不是關鍵,馬克的回答把人們再次帶回到了萊布尼茨所倡導的空間的相對論觀點。在馬克看來,空間正如萊布尼茨所想的那樣,只不過是表示物體之間相對位置關係的語言,就像沒有了單詞的單詞表一樣,什麼都不是。空間也不喜歡獨立存在

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我在讀大學的時候知道了馬赫的看法。馬赫原理真的是天賜之物,終於我們有了一個可以將所有的視角等同起來的空間和運動的理論。而所有視角之所以地位相同,是因為只有相對運動和相對加速度才有意義。不同於牛頓判定運動的基準,那個不可見的絕對空間,馬赫的基準是讓所有人都能夠看見的,那就是遍佈於宇宙的物質,馬赫原理必是正確的答案。我也發現我並不是唯一一個有這種反應的人,在我之前的很多物理學家,包括阿爾伯特愛因斯坦在初次瞭解到馬赫原理的時候便對其一見鍾情。那麼馬赫真的是對的嗎?牛頓真的陷入桶的泥潭而不可自拔,以至於得到的是有關空間的結論。

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那麼到底是牛頓的絕對空間真的存在,還是歷史的鐘擺最終擺回了相對論者的一邊呢?馬赫引入他的想法之後的幾十年裡,人們無法回答這些問題,問題的關鍵在於馬赫的想法並不是一種完備的理論或者描述,馬赫從未能指出宇宙中的物質是如何施加他所提出的那種影響的。如果馬克的觀點是正確的,那麼遠方的星星和你家隔壁的房子是如何在你旋轉的時候使你感受到旋轉的呢?由於沒有提出一種物理機制來實現他的想法,我們很難定量的考察馬赫的觀點。

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用我們現代的角度來看,合理的猜測是與馬赫提出的影響力有關的,可能是引力。在馬赫提出他的觀點之後的幾十年裡,這種可能性吸引了愛因斯坦的注意,在提出自己的引力理論廣義相對論時,愛因斯坦就從馬克的想法中汲取了大量的靈感。當相對論最終塵埃落定時,關於空間是否是一種物質,或者說相對論者和絕對論者的空間觀點哪一種正確。問題以一種將以前所有看待宇宙的方式全部粉碎的形式再次出現在我們面前。