论惯性离心力产生的物理机制

王建安

On the Physical Mechanism of Inertial Centrifugal Force

Jian’an Wang

Email: wja@szu.edu.cn

摘要：本文用新的以太观分析了牛顿水桶实验并得出结论：旋转水桶中的水的水面之所以凹下去，即不是牛顿所认为的是因为桶中的水相对于宇宙绝对空间转动造成的，也不是马赫所认为的是因为桶中水相对于整个星空背景转动造成的，而是桶中的水相对于地球以太转动造成的。本文还通过分析牛顿水桶实验得出了惯性离心力产生的物理机制。

Abstract: This paper analyzes Newton's bucket experiment with a new view of the ether and concludes that the reason why the surface of the water in the rotating bucket is concave is not caused by the rotation of the water in the bucket with respect to the absolute space of the universe as Newton thought, nor is it caused by the rotation of the water in the bucket with respect to the entire starry background as Mach thought, but the rotation of the water in the bucket with respect to the aether of the earth. In this paper, the physical mechanism of inertial centrifugal force is also obtained through the analysis of Newton's bucket experiment.

关键词：牛顿水桶实验、惯性离心力、绝对空间、马赫

Key words: Newton bucket experiment, inertial centrifugal force, absolute space, Mach

一、引言

牛顿水桶实验是艾萨克·牛顿所做过的一个用以证明绝对空间的存在实验。关于这个实验牛顿是这样叙述的： “如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高”

（a）、桶吊在一根长绳上，将桶旋转多次而使绳拧紧，然后盛水并使桶与水静止，此时水是平面的。

（b）、接着松开，因长绳的扭力使桶旋转，起初，桶在旋转而桶内的水并没有跟着一起旋转，水还是平面的。

（c）、转过一段时间，因桶的摩檫力带动水一起旋转，水就形成了凹面。直到水与桶的转速一致。这时，水和桶之间是相对静止的，相对于桶，水是不转动的。但水面却仍然呈凹状，中心低，桶边高。

水桶实验的关键是揭露，有两种“桶及桶中的水是相对是静止”的状态。最初（第一状态），绳被放松之前，“桶及桶中的水是相对是静止的，水面是平的”；最后（第二状态），绳被放松一段时间之后，“水和桶之间又是相对静止的”， 水面却是凹状。两种状态中，水和桶之间都是相对静止的，但水面却不同，前者平，后者凹。引起牛顿的疑问，为什麽？

1、 牛顿的解释：牛顿认为宇宙中存在一个绝对静止的空间，只有当桶中的水相对于绝对空间无转动时，水面才是平的，否则就是凹的。

2、 马赫的解释：一百多年后， E. 马赫 （1838-1916）强烈反对牛顿的解释。主要理由就是，牛顿的假定 —— “当桶中水相对于绝对空间不转动时，水面才是平的”—— 是无法实验检验的，无法证伪的。谁知道如何观测“绝对空间”？马赫提出的解释是，如果桶中水相对于整个星空背景无转动，水面是平的。当水相对于星空背景有转动时，水面是凹的。

二、讨论

作者认为，旋转的水的水面之所以凹下去，是因为有离心力作用于旋转的水上。接下来的问题是这个离心力是怎么产生的？或离心力产生的物理机制是什么？下面是作者的分析：因为在地球表面，对于水桶中的水这样的宏观物体的运动，地球以太可以视为绝对参照系[1]。虽然地球以太是以地心为球心的球面均匀分布的，也就是说，同一球面上的以太（能量）密度相同。但在水桶内的局域时空，地球以太可以视为是各处以太（能量）密度相同的平直时空。所以作者认为：“作用于物体上的惯性离心力是物体在平直的时空中做圆周运动产生的。”作者进一步认为：“在平直时空中做圆周运动的物体会导致物体内越接近圆心的点以太（能量）密度越高，而以太密度越高，则以太产生的压强越大。所以，在物体内的时空会形成沿着旋转半径从圆心指向外远处递减的以太（能量）密度梯度，构成该物体的每个微观粒子（原子核、电子）处在这样的时空之中都会受到一个从以太（能量）密度大的时空点指向以太（能量）密度小的时空点的以太压力。物体所受到的惯性离心力，就是构成该物体的所有微观粒子所受到的以太压力之合力。惯性离心力是真实的力，与其它所有的力本质上是相同的，都是时空以太（能量）产生的压力之合力。时空的以太密度越高，产生的以太压强越大。由此可知，在弯曲时空沿着等能量密度面做匀速运动不会产生惯性离心力。所以，旋转水桶中的水的水面之所以凹下去，即不是牛顿所认为的是因为桶中的水相对于宇宙绝对空间转动造成的，也不是马赫所认为的是因为桶中水相对于整个星空背景转动造成的，而是桶中的水相对于地球以太转动造成的。

根据以上有关离心力产生的原因及其物理机制的分析，我们可以得出如下推论：

1、 人造地球卫星（或月球）绕地球运动的惯性离心力来自于卫星（或月球）在太阳以太中做圆周运动。地球以太对于人造地球卫星（或月球）来说，并不产生惯性离心力。因为地球以太是弯曲的时空，卫星（或月球）在地球以太的等能量密度面上运动不产生惯性离心力。这就是为什么地球同步卫星为什么能够停留在地球上空不动的原因。

2、 行星绕太阳运动的惯性离心力来自于行星在银河系以太中做圆周运动。太阳以太对于行星来说，并不产生惯性离心力。因为太阳以太是弯曲的时空，行星在太阳以太的等能量密度面上运动不产生惯性离心力。

3、 太阳绕银河系中心运动的惯性离心力来自于太阳在宇宙背景以太中做圆周运动。银河系以太对于太阳来说，并不产生惯性离心力。因为银河系以太是弯曲的时空，太阳在银河系以太的等能量密度面上运动不产生惯性离心力。

4、 地球上自由原子中电子绕原子核运动的离心力来自于电子在地球以太中做圆周运动。由此可知，密闭容器中气体或液体的压强会随着容器所处空间引力场或电磁场的增强而降低；会随着宇宙膨胀（宇宙时空能量密度的降低）而增大。

参考文献：

[1] Wang, J.A. (2019) The Modification of Special Relativity. Journal of Modern Physics, 10, 1615-1644. doi: 10.4236/jmp.2019.1014107