想象你坐在一辆正在加速的汽车里，你的身体被压在座椅靠背上。你体验到的这种”惯性力”——推着你向后的感觉——来自哪里？牛顿的回答是”绝对空间”——一个不变的、固定的参考框架。但19世纪的奥地利物理学家恩斯特·马赫提出了一个更为激进的答案：惯性来自宇宙中所有其他物质的总和。
牛顿的桶与绝对空间
牛顿用一个著名的思想实验——”旋转的水桶”——来论证绝对空间的存在。当水桶开始旋转时，桶内的水会逐渐被甩向桶壁，形成凹面。牛顿问：水相对于什么在旋转？不是桶壁（因为水最终与桶同步旋转），不是地球（你可以把桶带到外太空），而是一个绝对的、不变的空间。
这个论证让哲学家和物理学家争论了两个世纪。马赫在1883年出版的《力学》一书中提出了反驳：绝对空间是不可观测的。我们唯一能观测到的是物体相对于其他物体的运动。对于旋转的水桶，水感受到的离心力不是来自绝对空间，而是来自宇宙中所有遥远星系和恒星的集体引力效应。
马赫与爱因斯坦的精神遗产
年轻的阿尔伯特·爱因斯坦被马赫的想法深深吸引。他在给马赫的信中写道：”您的力学研究对我的物理学发展产生了不可估量的影响。”在创立广义相对论的过程中，爱因斯坦一直希望将马赫的原理纳入其中——他希望证明，一个物体的惯性完全由宇宙中其他物质的分布决定。
但事实证明，广义相对论并没有完全实现马赫的愿景。在爱因斯坦的理论中，即使在一个完全空无一物的宇宙中（德西特空间），惯性仍然存在。爱因斯坦晚年承认，广义相对论与”马赫原理”之间的关系比他最初设想的更为复杂。
现代宇宙学的检验
20世纪后半叶，物理学家开始用精确的观测来检验马赫原理。如果惯性确实由宇宙物质分布决定，那么我们应该能观测到某些可验证的效应。
一个著名的思路来自布兰斯-迪克理论——这是广义相对论的一个替代版本，它引入了一个与物质分布耦合的标量场，使得引力常数在宇宙演化中缓慢变化。如果马赫是对的，我们应该能测量到某些各向异性的惯性效应——即不同方向上的惯性可能会因邻近大质量天体而产生微小差异。
然而，迄今为止最精密的实验——包括用激光干涉仪测量地球上的惯性各向异性——都将任何偏离牛顿力学的效应限制在了10^-15以下的水平。宇宙微波背景辐射的观测也表明，宇宙在大尺度上极其均匀，这似乎与马赫原理要求的”惯性由远距离物质主导”是一致的。
为什么马赫原理仍然重要？
尽管尚未找到决定性的实验证据，马赫原理在当代物理学中仍然具有深远的哲学和理论意义。它代表了一种”关系主义”的世界观——物理量不是绝对的，而必须在与其他物体的关系中被定义。这种思想深刻地影响了量子引力研究，特别是在圈量子引力和因果集理论中。
马赫的问题——”为什么牛顿的桶里的水会爬向桶壁？”——至今没有一个完全令人满意的答案。它提醒我们，物理学最基础的概念——空间、时间、运动——仍然包含着未解的深层谜题。或许，正如马赫自己所暗示的那样，惯性之谜的最终解答需要一种全新的、比广义相对论更为深刻的理论。