一、牛顿的水桶

说起思想实验，最喜欢玩的当然是爱因斯坦，爱神的一系列思想实验让整个量子学派头疼不已，开创了一人敌一门的奇迹，量子学派都恨不得众筹送给爱神一把小提琴，让他在艺术道路发扬光大，不来添乱，但是爱神岂是易与之辈，小提琴照拉，思想实验照做。

没奈何，量子学派只好祭出慕容家族的传家法宝“以彼之道，还施彼身”来对付爱神，虐猫狂人薛定谔扔出一只不死不活的猫，才勉强抵挡了爱神的攻势。

由此可以看出，思想实验在科学史上的重要性，不过最早的思想实验却是牛爵爷的水桶实验。

牛顿的水桶实验

“水桶实验”是牛爵爷在他的开山之作《自然哲学的数学原理》中记载的第一个实验，大意是：“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。直到最后，水与桶的转速一致，水面即呈相对静止。”

水桶实验非同小可，直接引出了牛顿力学最重要的概念—绝对空间，依据实验，水面只有在和水桶相对静止时（都不转或者一起同步旋转）才是平的，其他时候都是弯曲的，这就说明水的运动倾向不依赖于水相对周围事物的相对运动，而是取决于某个绝对参考系，亦即牛顿所说的绝对空间。

牛顿就是依照绝对空间的概念推导出整个经典力学，从一个日常现象建立起整个物理学大厦，不得不慨叹爵爷的鬼斧神工，直到二百年后才有人对此异议，这个人不是爱因斯坦，而是恩斯特.马赫。

恩斯特.马赫

二、经典力学的掘墓人

恩斯特.马赫，天生杀胚，一生遇神杀神遇佛弑佛，就连牛爵爷也要掀开棺材板拉出来鞭尸，涉猎广泛，无论物理学、生理学心理学都颇有建树，著名的牛顿第二定律的表达式F=ma就是由他提出，现在表示飞行器的速度的单位马赫就是为了纪念他而命名，毕竟他就是超声波学的开创者，一般情况下飞行器的速度都是超声速的，现在大家经常玩的明暗对比游戏就来自于他提出的马赫带效应，甚至还是被列宁批判的哲学家。

马赫带现象，图中两个小方块亮度其实是一样的。

马赫对水桶实验的诘难来自于绝对空间的假定，马赫是实证主义大师，任何不能被实验证明的东西对于他来说都是不存在的。

马赫对水桶实验提出了自己的解释，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。马赫的解释中，不需要绝对空间。表面看，马赫似乎只是用“整个星空背景”替代了牛顿的“绝对空间”。但二者却大有不同，马赫的解释是可以检验的，人人都看得见“星空背景”，而看不见“绝对空间”。

那么马赫的观点如何检验呢？马赫观点的实践结果就是陀螺仪。

陀螺仪

“一旦一个没有外界干扰的陀螺轴指向星空某一方向，它就总是保持这个方向。”当然不受外界干扰的陀螺是不存在的，但是如果要求的精度不太高，例如航行在暗夜的海上，只需要考虑地球的影响，而地球很小，自转又慢，所以引起的误差极小，而且大海之上即便相差千分之一度问题也不大，所以在卫星导航系统出现之前，航海家们都靠陀螺仪指引方向。

当然到了航空就有些问题了，因为星空的影响就有些大了，而且航空的要求精度极高，但是近地空间的飞机和卫星，仍可以用陀螺仪导航，可要是“我们的征途是星辰大海”，陀螺仪就有些不太适用了，那就必须要考虑相对论效应，其实现在的卫星导航系统也考虑了相对论效应。

三、爱因斯坦的引路人

而这个时候如果再用绝对空间来考虑陀螺仪的指向问题，就有些莫名其妙了，那就是要引入以太了。

而在马赫的观点中就已经消灭了以太。马赫的观念进一步引申，就是相对于观察者来说，各个惯性系平等，不存在一个绝对静止系，这个观点是不是有些熟悉？对，这就是相对论。

爱因斯坦和相对论

爱因斯坦曾高度评价马赫的工作，承认其在相对论发展过程中的巨大作用，并自称为马赫“虔诚的学生”。

可是爱因斯坦的热脸却蹭上了马赫的冷屁股，因为马赫根本就不承认相对论。

在牛顿已逝，爱因斯坦未生那个时代，马赫是当之无愧的学术巨擘，不同于爵爷的那群迷弟，他们只是努力把牛顿送上神坛的最高层，也不同于法拉第和麦克斯韦那两个神队友，他们是要开创一个新世界。

马赫要做的就是打碎旧世界，至于是不是创造新世界那是另外一个问题，马赫打碎旧世界的武器就是实证主义，简单来说就是没有实验证实的东西就是不存在的，就是荒谬的，不可理解的。

因为牛爵爷的绝对空间不可以证实，所以就是爵爷错了，爱神的相对论更是不可思议，而且也没有实验可以证实，所以相对论也是荒谬的。

他曾直言宣称：“我必须明确地否认我是相对论者的先驱，正如我个人拒绝当今学派的原子论学说”。

爱神天生骄狂，而且当时马赫影响力下降，马赫的否定并没有对爱神造成什么影响，可是他对原子论的拒绝却深深伤害了玻尔兹曼。

四、受伤的玻尔兹曼

作为热力学大师，玻尔兹曼当然清楚热力学不是严谨的科学，为此他提出了玻尔兹曼熵公式，以求给热力学一个严格的基础，再加上普朗克推导出的玻尔兹曼常数，热力学基本上已经打通了宏观世界和微观世界，本是一片形势大好，可以昂首跨入科学的殿堂，可是偏偏遇到了只相信经验的马赫。

热力学必须建立在世界是由原子组成这个最根本的基础上，而当时只有道尔顿想象出来的原子模型，原子论这个今天的常识在当时却是个悬而未决的问题，对于只相信经验的马赫来说，宏观的绝对空间不存在，微观的原子当然也不存在，相对原子说，马赫更支持他的学生奥斯特瓦尔德提出的唯能论。

唯能论认为能量是唯一真实的实在，物质并不是能量的负载者，而只是能量的表现形式。以今天的观点看，唯能论也不能完全算错，但当时这两者却是不可调和的矛盾。

奥斯特瓦尔德对玻尔兹曼发起了挑战，由于马赫的影响力，大多数科学家都站在了奥斯特瓦尔德一边，玻尔兹曼这边只有不爱争论的普朗克。

静观这场争论的普朗克曾提出过一个普朗克科学定律：一个新的科学真理照例不能用说服对手，等他们表示意见说“得益匪浅”这个办法来实行。恰恰相反，只能是等到对手们渐渐死亡，使得新的一代开始熟悉真理时才能贯彻。

只是这次争论先逝去的却是掌握真理的玻尔兹曼，玻尔兹曼没有爱因斯坦那种“一人敌一门”的气势，多年的争论对他的身心都造成了巨大的伤害，无奈于1906年自杀。

玻尔兹曼的墓碑

玻尔兹曼的墓碑

当然，这并不是说马赫的固执造成了玻尔兹曼的早逝，但至少他的观点已经阻碍了科学的进程。

四、矛盾的马赫

每一个意气风发的少年在晚年都会走向自己的反面，科学家如是，艺术家如是，牛顿如是，爱因斯坦亦如是。这似乎是人类发展史上一个可悲的循环。

梁任公曾如此评价其师康南海：先生最富于自信力之人也，其所执主义，无论何人，不能摇动之。于学术亦然，于治事亦然，不肯迁就主义以徇事物，而每镕取事物，以佐其主义。

梁任公的生花妙笔颇有为其师洗白之意，但这段话用来评价马赫却是最恰当不过，马赫似乎在晚年也走向了自己的反面，如同康南海一样，从砸烂旧世界的开创者变成了阻碍新世界的保守者，其实马赫从来没有变，他一直是伟大的实证主义大师，直到今天，他的思想还在影响着我们的生活。

人类历史的进程犹如起伏的山峦，总有一些伟大的人物以刺破青天的姿态矗立于天地之间，芸芸众生就在他们的余荫庇护下快乐生活，可要想看到更灿烂的阳光，要么比他们更高，要么离他们更远，马赫就是一座险峻的山峰，他距离牛顿的山峰足够得远，以至于可以摆脱牛顿的阴影来窥视更广阔的世界，只是他后面的山峰更加奇绝，他不幸很快落入了阴影之中，但是，我们不得不承认，那一缕最初的灿烂却是由他带来的。