第3章 依撒克·牛顿

依撒克·牛顿（1642～1727年）是有史以来最伟大的天才之一。在数学上，他发明了微积分，在天文学上，他发现了万有引力定律；在物理学中，他系统总结了三大运动定律；在光学中，他发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。一个人享有这里的任何一项成就，就足以名垂千古，而牛顿一个人作出了所有这些贡献。

牛顿生于1642年，是个遗腹子。年少时，他性情孤僻，上小学时，成绩也十分平常；12岁进中学，由于寄宿在一位药剂师家里而学会了做化学实验。

1661年，牛顿进入剑桥三一学院。他阅读了大量书籍，基本上掌握了当时的全部数学和光学知识。1665年初大学毕业，由于伦敦正闹瘟疫，他回到他母亲的农场里，度过了两年。这两年是牛顿创造发明最为旺盛的时期。他发明了二项式定理和微分运算，研究了颜色理论和积分运算，并继续思考动力学和引力问题。

1667年，牛顿回到剑桥。1669年，27岁的牛顿当上了剑桥大学的卢卡斯数学教授。1678年，因在光学问题上与胡克争论，牛顿深受刺激，性格内向的他不再发表文章，光学问题也被搁置一边，转而思考天文学问题。1679年，胡克主动与牛顿通信讨论引力问题，这也促使牛顿重新研究早年的课题。

1684年1月，胡克向当时的皇家学会主席雷恩和天文学家哈雷声称，自己已经发现了天体在与距离平方成反比的力作用下的轨道的运行规律，但他给不出数学证明。雷恩决定悬赏征解。哈雷8月份专程去剑桥，请教牛顿。牛顿于是在11月写出了《论运动》手稿。

向心力与半径的平方成反比，牛顿早就得出了这一结论。到了17世纪80年代，胡克、雷恩和哈雷也都独自发现了这一关系。

但他们都没能证明其逆命题在平方反比于距离的力的作用下，行星必作椭圆运动。只有牛顿给出了这一数学证明。

然而，即使确认了椭圆轨道与平方反比作用力之间的这种互推关系，也并不等于发现了万有引力。万有引力的关键在“万有”，它是一种普遍存在的力。首先，人们必须证明支配行星运动的那个力与地面物体的重力是同一种类型的力。牛顿最先想到这一点，著名的苹果落地的故事说的就是这段历史。

17世纪60年代就已萌发的思想，为何直到80年代才重提？事实上，牛顿面临的一个主要困难是，他不能肯定是否应该由地心开始计算月地距离，因为这牵涉到地球对月亮的引力是否正像它的全部质量都集中在中心点上那样。

1685年初，情况出现了转机，牛顿运用微积分证明了地球吸引外部物体时，恰像全部的质量集中在球心一样。在哈雷的鼓励下，牛顿全力投入写作一本著作。花了不到18个月的时间，科学史上最伟大的一部著作——《数学原理》，于1686年完成，并于1687年以拉丁文初版问世。

《数学原理》共分三篇。极为重要的导论部分，包括“定义和注释”、“运动的基本定理或定律”。定义分别是：“物质的量”、“运动的量”、“固有的力”、“外加的力”以及“向心力”，注释中给出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和绝对静止的概念。在“运动的基本定理或定律”部分，牛顿给出了著名的运动三定律，以及力的合成和分解法则、运动迭加性原理、动量守恒原理、伽利略相对性原理等。这一部分是牛顿对前人工作的一种空前的系统化，也是牛顿力学的概念框架。

《数学原理》的出版立即使牛顿声名大振。它开辟了一个全新的宇宙体系。正是从这里，人们获得了用理性来解决面临的所有问题的自信。《数学原理》出版后，牛顿不再考虑力学问题。1689年，牛顿当选为国会议员。1690年，他开始研究《圣经》。1695年，他被任命为造币厂督办，1699年被任命为造币厂厂长。1701年，牛顿辞去教职。1703年，他当选为皇家学会主席，以后每年连任。1727年，牛顿去世。

“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”“我不知道世人怎么看，但在我自己看来，我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到一块更光滑、更美丽的卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜。”从牛顿的名言中，可以窥见他博大深邃的精神境界。