什么是马赫原理

什么是马赫原理

马赫的观点是，物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，因而不仅速度是相对的，加速度也是相对的；在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”，而是一种引力的表现，是宇宙中其他物质对该物体的总作用；物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质作用的结果。
马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。

马赫原理 认为惯性是由物体与宇宙中一切其他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（见牛顿定律）。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》中对这种实验的描述如下：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，并一点一点地从中心后退，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－他不光是想象理想世界中事物‘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应的。然而，旋转是相对于什么东西而言呢？牛顿说它是相对于固定的（或绝对的）空间旋转。但30年后，爱尔兰哲学家和数学家（也是一位主教）乔治?伯克利（george berkeley，1685－1753）争辩说，一切运动都是相对的，都必须参照某种东西进行测量。他说，既然‘绝对空间’不可察觉，它就不能作为参考点。他继续指出，如果宇宙中除一个孤立的球外空无一物，那么谈论这个球的任何运动都是没有意义的。即使有两个完全光滑的球相互绕转，那也无法测量这种运动。但‘假定突然创造出了满天恒星，那么我们就能通过球相对于宇宙不同部分的位置来推断它们的运动。’总之，伯克利论证的是，由于你杯中的咖啡知道它在相对于远方恒星旋转，它才不乐意地在杯子边缘升高。同样的论据可应用于直线上的加速度；按照伯克利的论证，当你坐在一辆从静止到加速运动的汽车中感到后背上有推力，那是因为你的身体知道它正在相对于远方恒星和星系加速。但伯克利超前于他的时代150年，虽然18世纪对他的思想也有一些讨论，但它们基本上被忽略了。直到1860年代恩斯特?马赫重提这一思想，才再次引起人们对它的兴趣。马赫对伯克利提出的思想几乎没有什么补充，不过他阐述了一个很有魅力的看法，他说，如果我们想把地球赤道凸起带解释为离心力所引起，那么‘究竟是将地球看成绕它的轴自转，抑或地球静止而恒星绕地球公转，那是无关紧要的。’是相对运动造成了凸起带。阿尔伯特?爱因斯坦是从马赫的工作了解到加速度必须相对于恒星进行测量这一思想的，他还给它起名‘马赫原理’。当爱因斯坦着手发展其广义相对论时，他打算提出一个将马赫原理作为自然结果包括进去的理论。他只取得部分成功－仅当宇宙封闭（见宇宙模型）时，广义相对论方程式才有可能（甚至也不可能）将遥远天体和加速运动之间的这种反馈包括进去。但由于暴涨理论提出宇宙确实封闭，所以从爱因斯坦时代来看，这并不构成多大的缺点。如果本地参考系，即静止标准，真的由宇宙中全部物质的某种平均效应确定，就应该有某种检测它的方法。一种方法是将一个试验物体放入一个（质量很大的）球形物质壳中，并让球壳相对于遥远星系快速旋转。如果马赫原理正确，就应该有一个来自旋转球壳的试图使试验物体跟随运动的微小拖动作用。适度的效应可能通过研究绕地球轨道上自由下落状态的陀螺仪的行为检测出来；按照这一思路的实验已由斯坦福大学的一个小组设计出来，不过还没有送入太空。还有另一种考察这一问题的方法。伯克利和马赫称为‘恒星’的东西实际上是一个本身自转的系统－银河系－的一部分。甚至在其他星系得到确认之前（确实是在马赫诞生以前），威廉赫歇尔和其他天文学家就得到了银河系是恒星组成的扁平盘的可靠证据，其形状清楚表明是自转和离心力所造成