Вращающееся ведро Ньютона и абсолютное пространство

Введение

Мысленный эксперимент в физике: аргумент Исаака Ньютона об вращающемся ведре (также известный как ведро Ньютона) был разработан, чтобы показать, что истинное вращательное движение нельзя определить как относительное вращение тела по отношению к ближайшим телам. Это один из пяти аргументов из раздела "свойства, причины и следствия" "истинного движения и покоя", подтверждающих его точку зрения, что, как правило, истинное движение и покой нельзя определить как особые случаи движения или покоя относительно других тел, а можно определить только относительно абсолютного пространства. Альтернативно, эти эксперименты дают операциональное определение "абсолютного вращения" и не пытаются ответить на вопрос "вращение относительно чего?". Общая теория относительности отказывается от абсолютного пространства и от физики, причина которой лежит вне системы, используя понятие геодезических пространства-времени.

Предыстория

Эти аргументы и обсуждение различий между абсолютным и относительным временем, пространством, местом и движением содержатся в сноске в конце раздела «Определения» в первой книге труда Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) (не следует путать с «Общим сноском» в конце третьей книги), который заложил основы классической механики и представил его закон всемирного тяготения, предоставивший первое количественно адекватное динамическое объяснение движения планет. Несмотря на принятие принципа прямолинейной инерции и признание кинематической относительности кажущегося движения (которая определяет правильность птолемеевской или коперниканской системы), философы природы XVII века продолжали рассматривать истинное движение и покой как физически различные характеристики отдельного тела. Господствующая точка зрения, против которой выступал Ньютон, была разработана Рене Декартом и поддерживалась (частично) Готфридом Лейбницем. Она утверждала, что пустое пространство является метафизической невозможностью, поскольку пространство – это не что иное, как протяжение материи, или, иными словами, говоря о пространстве между вещами, мы на самом деле ссылаемся на отношения между этими вещами, а не на какую-либо сущность, находящуюся между ними. В соответствии с этим пониманием, любое утверждение о движении тела сводится к описанию его положения во времени: в момент t1 тело находится вблизи одной группы «ориентиров», а в момент t2 – вблизи другой группы «ориентиров». Декарт признал, что существует реальная разница между ситуацией, когда тело с подвижными частями, первоначально покоящееся относительно окружающего кольца, само ускоряется до определенной угловой скорости относительно кольца, и ситуацией, когда окружающее кольцо получает противоположное ускорение относительно центрального объекта. Если рассматривать только центральный объект и окружающее кольцо, то эти движения будут неотличимы друг от друга, при условии, что оба объекта – центральный и кольцо – абсолютно твердые. Однако, если ни центральный объект, ни окружающее кольцо не являются абсолютно твердыми, то части одного или обоих из них будут стремиться отлететь от оси вращения. По причинам, связанным с инквизицией, Декарт говорил о движении как об абсолютном, так и об относительном. К концу XIX века утверждение о том, что все движение относительно, было вновь выдвинуто, в частности, Эрнстом Махом (1883). Следовательно, когда мы говорим, что тело сохраняет неизменным свое направление и скорость в пространстве, наше утверждение не более и не менее, чем сокращенная ссылка на всю Вселенную. Эрнст Мах, как цитирует Чиуфолини и Уилер: Гравитация и инерция, с. 387.

These arguments, and a discussion of the distinctions between absolute and relative time, space, place and motion, appear in a scholium at the end of Definitions sections in Book I of Newton's work, The Mathematical Principles of Natural Philosophy (1687) (not to be confused with General Scholium at the end of Book III), which established the foundations of classical mechanics and introduced his law of universal gravitation, which yielded the first quantitatively adequate dynamical explanation of planetary motion. Despite their embrace of the principle of rectilinear inertia and the recognition of the kinematical relativity of apparent motion (which underlies whether the Ptolemaic or the Copernican system is correct), natural philosophers of the seventeenth century continued to consider true motion and rest as physically separate descriptors of an individual body. The dominant view Newton opposed was devised by René Descartes, and was supported (in part) by Gottfried Leibniz. It held that empty space is a metaphysical impossibility because space is nothing other than the extension of matter, or, in other words, that when one speaks of the space between things one is actually making reference to the relationship that exists between those things and not to some entity that stands between them. Concordant with the above understanding, any assertion about the motion of a body boils down to a description over time in which the body under consideration is at t1 found in the vicinity of one group of "landmark" bodies and at some t2 is found in the vicinity of some other "landmark" body or bodies. Descartes recognized that there would be a real difference, however, between a situation in which a body with movable parts and originally at rest with respect to a surrounding ring was itself accelerated to a certain angular velocity with respect to the ring, and another situation in which the surrounding ring were given a contrary acceleration with respect to the central object. With sole regard to the central object and the surrounding ring, the motions would be indistinguishable from each other assuming that both the central object and the surrounding ring were absolutely rigid objects. However, if neither the central object nor the surrounding ring were absolutely rigid then the parts of one or both of them would tend to fly out from the axis of rotation. For contingent reasons having to do with the Inquisition, Descartes spoke of motion as both absolute and relative. By the late 19th century, the contention that all motion is relative was re introduced, notably by Ernst Mach (1883). When, accordingly, we say that a body preserves unchanged its direction and velocity in space, our assertion is nothing more or less than an abbreviated reference to the entire universe.|Ernst Mach; as quoted by Ciufolini and Wheeler: Gravitation and Inertia, p. 387

Детальный анализ

Исторический интерес эксперимента с вращающимся ведром заключается в его полезности в демонстрации возможности обнаружения абсолютного вращения путем наблюдения за формой поверхности воды. Однако можно задаться вопросом, каким образом вращение вызывает это изменение. Ниже представлены два подхода к пониманию вогнутости поверхности вращающейся воды в ведре.