人类近代的科学——伟大的牛顿
伊萨克·牛顿，生于英国北部林肯郡一个偏僻的伊耳索浦村的一个农民 家里，是一个农民的遗腹独生子。他生下来体重不足，身体虚弱，似乎不能 长大成人。两岁时，母亲改嫁，由外祖母抚养，后来他母亲又变为寡妇。
幼时的牛顿多灾多难，身体不好，可是，后来经过调养和锻炼，逐渐强壮，居然活到了 86 岁高龄。由于没有在温暖的家庭里长大，牛顿小时候并不聪明，性格内向，胆于较小。在小学读书时，除了数学外，各门功课都不好，没有什么进步，因此，老师是不喜欢他的。
但是这个成绩不好的学生却有着自己的业余爱好，就是积攒零花钱去购买斧子等木工工具，俨然是一个小木匠。他做了一些风车、风筝、日晷、漏壶等实用机械，都十分精巧，经常得到同学和邻居的称赞。
由于成绩不好，对自己做出来的器械也讲不出道理，有时受到一些同学的嘲笑。有一次，牛顿兴致勃勃地抱着自己做的心爱的水车，到校园一角的小河进行试验，好多同学也跟着来看热闹，当水车受水冲而转动时，牛顿兴奋地跳起来，大家也都夸牛顿做的水车好漂亮。这时，有一个找岔的同学问牛顿： “水车为什么碰上水，就转了呢？” 牛顿只知道水车被水冲就会转，可答不出为什么。 “你说呀，讲不清道理，最多只是个笨木匠。” “笨木匠！”“笨木匠！”大家齐声起哄。 有一个同学还踢了牛顿一脚。水车也被打坏了。 这次受辱，刺激了牛顿的求知欲，牛顿决心努力学习，解释其中的道理，于是成绩不断上升，成了优等生。 牛顿仍然制作器械，模仿得更巧妙，并且富有创造性。例如，他做的风筝，很讲究形状、尾巴的重量和线的着力点。
1656 年，牛顿辍学，帮助母亲耕种。牛顿很体贴母亲的艰辛，什么活都抢着干。但是少年时代的牛顿，满脑子充满了理想，一有空闲就躲起来看书。
一天，牛顿正在聚精会神地看书，被舅舅发现了，舅舅认为他偷懒，不好好耕种，而十分生气，想去责骂他。走到面前，舅舅看到他正在读数学书，非常感动，认为牛顿必有出息，便建议让牛顿继续读书。牛顿的母亲终于接受了建议。1661 年，牛顿考入剑桥大学三一学院。在这所大学，集中了全国各地的优秀学生，牛顿虽然是伊耳索浦的高才生，但和其他同学相比，仍然成绩平平，牛顿毫不气馁，学习更勤奋，更刻苦。别人休息了，他还在努力，就是这样最终才得以成绩名列前茅。在三一学院，牛顿幸遇了著名数学家巴罗和数学教授路卡斯。路卡斯虽然在数学上没有惊人的成就，但他发现了牛顿，认为牛顿是一个很有才能的人。于是对牛顿格外教导，牛顿不懈地学习，数学成为牛顿最拿手的一门功课。这为他以后的科学探索打下了基础。
1664 年，牛顿被选为三一学院的研究生，1665 年又被选为校委。年青的牛顿开始步入研究阶段。就在这年 6 月，伦敦流行鼠疫，一旦传染上这种可怕的疾病的后果是可想而知的，剑桥大学决定暂时停课，牛顿只好回到了家乡伊耳索浦。回到故乡，牛顿并没停止科学研究，因为要研究的问题很多很多。在学校里读书、做实验，当然方便。在乡村，同样可以攻读名家经典著作，更重要的是，经过全面思考，把学到的知识归纳整理。翻开名家著作，那是一副副自然科学飞速发展的画卷。望远镜打开了观察太阳黑子、月球上的山峦和峡谷的通道；显微镜揭示了生物结构的内幕；折射定律的数学公式；血液循环和红血球的发现等等。牛顿博览群书，受益匪浅。
1669 年，牛顿被聘担任路卡斯的数学讲座。这时牛顿已经 26 岁，还没有发表过什么东西，也没有引起更多人的注意。通过多年的勤奋学习，牛顿掌握了丰富的科学遗产和最新成就，这为牛顿的科学研究打下了坚实的理论基础。牛顿研究科学的方法有自己的特点，不是以假设来解释现象，而是以理论和实验来加以证明。牛顿非常重视实验，在他的科学活动中，绝大部分时间都是在实验室中度过的。他一般要工作到夜间两点钟才去睡觉。有时遇到重要的试验，常常几个星期一直留在实验室，不分昼夜，直到试验完成。正是因为牛顿亲自参加实践，重视实验事实，因此才能把无数杂乱的。料加以整理，使之上升为系统的、科学的理论，从而在自然科学好几个领域 内都作出了杰出贡献。
四大定律
牛顿在物理学上的贡献主要表现在发现力学运动三定律和万有引力定 律。物体为什么会运动呢？早在 2000 多年前，古希腊的哲学家亚里士多德根据经验提出：为了使物体不停地运动，必须持续不断地有力作用于物体上，没有力的作用.物体就会停下来。也就是说，推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。比如，牛拉车时。牛用力拉车，车便前进了；牛停下来，不用力了，车也就停下不动了。很明显，亚里士多德认为维持运动需要力。真的是这样吗？假如有人推着一辆小车在平路上行驶，然后突然停止推它，小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。这一段很短的距离没有人推，为什么能运动呢？亚里士多德错在哪里呢？当时的科学家们无法弄清楚。
I6 世纪末，意大利青年物理学家伽利略，做了物体沿斜面运动的实验，发现物体沿斜面向下运动时，速度越来越大，沿斜面向上运动时，速度越来越小。从这里他想到，如果没有摩擦力，物体在不倾斜的水平面上运动时，速度应该不变。牛顿在总结了伽利略等人研究成果的基础上，进行不断的研究。在人推车的实验中，如果把道路修整得越平滑，车轮上涂油等外部的影响减少，车子滑行的距离会更长。牛顿想方设法减少车轮与路面之间的摩擦力，但是不可能得到没有摩擦的平面。牛顿绞尽脑汁，考察、研究，终于想出了当路面绝对平滑时，车轮也毫无摩擦，那小车就没有任何东西阻挡，就会永远运动下去。牛顿据此总结出物体具有保持原有的匀速直线运动状态或静止状态的性质，并作为一条定律提出来。
一切物体在没有受到外力作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。物体的这种保持原有的匀速直线运动状态或静止状态的性质，叫做惯性。因此，牛顿第一定律又叫做惯性定律。物体具有惯性的例子是很多的。任何静止不动的物体，如果没有外力作用，它是不会自己动起来的；切运动的物体，如果没有外力的作用，它也不会静止下来。
坐在匀速行驶的汽车中的乘客，当汽车突然刹车时，上身会向前倾。这是因为乘客的下身受车厢摩擦阻力的作用随车厢一同静止，而上身由于惯性保持原来向前运动的速度，所以向前倾。在牛顿第一定律中，我们已经知道，物体没有受到外力作用时，就会永远保持静止或匀速直线运动状态。如果有外力作用时，将会出现什么结果呢？
一辆手推车，你用小力去推，它起动得慢；你用大力去推，它起动得快。起动的过程就是从静止到运动，是一个加速运动的过程，可见，对同一个物 体，受的力越大，它产生的加速度越大。你向哪个方向推车，静止的车就向 哪个方向运动，即加速度的方向跟力的方向是相同的。
两辆手推车。一辆装满了泥土，它包含的物质多，即质量大；另一辆车 装的少，它包含的物质少，即质量小。用同样大小的力分别推这两辆车，你 会发现：质量大的车，起动得慢，即加速度小；质量小的车，起动得快，即 加速度大。
牛顿通过实验认识到，物体产生的加速度，不仅跟力有关，而且跟物体 的质量有关，这就发现了运动的第二定律，即牛顿第二定律：当物体受到外力作用时，它的加速度与作用在它上面的力的大小成正 比，与物体的质量成反比。加速度的方向与力的方向相同。
牛顿第二定律在科学技术的各个方面都有着广泛的应用。比如，迫击炮 在发射时，为了增加射程，就需要设法增大对炮弹的推力，使炮弹在膛内运 动时有较大的加速度，从而得到比较大的出口速度，炮弹的出口速度越大， 它的射程越远。在学生时代，我们可能有这样的体验，当我们坐在椅子上用力推课桌时， 会感觉到书桌也在推我们，因而身体要向后移。当两条小船停在水面时，如 果甲船上的人推乙船，会发现两条船同时向相反的方向运动。也就是说，当 一个物体受到力的作用时，它同时对施力物体也有力的作用，通常把前者叫 做作用力，后者叫做反作用力。
牛顿通过实验进一步发现，作用力和反作用力无论大小如何，总是相等的；作用力和反作用力总是同时产生的，没有先后之分，同时增大，同时减小，同时消失；作用力和反用力在一条直线上，但它们的方向相反，分别作用在两个物体上。牛顿得出了这样的规律：
当一个物体对另一个物体施加力的时候，承受力的物体也用同样的力，反过来作用于对它施加力的前一个物体上，两物体间的相互作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。这就是牛顿第三定律，也叫做作用与
反作用定律。
人在地面上行走，人给地面一个向后的作用力，地面也给人一个相等大小的向前的反作用力，正是利用这个反作用力，才使人得以向前行走。用桨划船也是为了取得反作用力。用桨向后划水，水就给桨一个向前的反作用力，使船向前运动。如果划水的方向不同，得到的反作用力的方向也不同，因此还可以使船向不同方向转弯。牛顿对物理学最重要的贡献是发现了万有引力。
物体在空中下落的运动，是一种常见的运动。但是物体为什么会下落到地面，就像苹果为什么会落到地上，而不飞上天呢？从古代起，就有人注意到这种运动形式，并对它的规律提出过一些看法，认为物体由于本身重量而下落，越重的物体下落得越快。譬如，一个苹果比一片树叶落得快。17 世纪以前的学者，许多人是这样认为的。传说，在 16 世纪末，意大利物理学家伽利略做过这样的实验。1590 年，他登上 50 多米高的比萨斜塔，让 1 磅重和 10 磅重的两个球同时落下，在场许多人看到它们差不多同时到达地面。其实，不同重量物体下落的快慢是相同的。我们平常看到物体下落的快慢不同，并不是由于重量不同，而是它们由于受到空气阻碍作用不同的缘故。
1971 年，美国宇宙航行员斯科特在月球上让一把锤子和一根羽毛同时落下， 由于月球上没有空气，它们确实同时落到月球表面上。
一个美丽的秋天，晴空万里，阳光普照，让人心旷神怡，在屋里工作了 一天的牛顿丝毫也没有察觉。傍晚，他感到有些疲倦，便到后院走走，不知 不觉地，走到了苹果树旁。那棵苹果树结满通红的苹果，在晚霞里闪闪发光。 牛顿坐在苹果树下，仍然沉浸在思索中。
突然一个苹果从树上掉了下来，落在牛顿的身旁。他感到纳闷，周围风 平浪静的，这个苹果为什么会掉下来呢？牛顿苦苦思索其中的缘由。夜深了。 左思右想。忽然，牛顿的头脑中出现了这样的想法，是地球吸引了苹果，一定是地球对苹果的吸引力，才使苹果落到地上，否则苹果为什么不往上飞 呢？长期以来，想了又想的问题，终于找到了解决的线索，牛顿情不自禁脱 口而出：“明白了！物体的下落原因原来是地球引力的结果。”
观察天体运动
找到了地球上物体的力学原理，牛顿又进一步地去探索天体奥秘。 很早以前，古人就从农业和航海等实际需要出发，开始了对天体运动的观察。那么日月星辰是怎样运动的呢？希腊天文学家在 2 世纪写了《天文集》一书，阐述了地球是宇宙的中心，静止不动，太阳，月球、其他行星都围绕地球运行。这就是托勒玫的地心体系即地心说。
1543 年波兰天文学家哥白尼在他的著作《天体运行论》中，详细地阐述了太阳是中心的学说，叫做日心说。他认为，所有的行星都是沿着圆形轨道匀速地绕太阳旋转，月球绕地球旋转，同时跟着地球绕太阳旋转，月球是地球的卫星。地球除了绕太阳公转，还每天自转一周，正是地球的自转，才使得日月星辰看来每天是东升西落。德国天文学家开普勒，进一步研究了行星运动的规律，提出了开普勒三大定律。开普勒研究了行星运动的轨道、速率和周期，正确地回答了行星是怎样运动的问题。
那么行星为什么这样运动呢？牛顿着手研究行星轨道为什么是椭圆的和引力问题。根据力学原理，牛顿认为，行星没有因惯性做匀速直线运动，而绕太阳做圆周运动，这必然有向心加速度，这个向心加速度可能是太阳对行星有引力的结果。他用开普勒定律来推求这个引力。计算的困难是难以想象的。地球如此庞大，要计算地球对其表面上某一个微小物体的引力有多大，谈何容易，何况还要计算地球对月球、太阳对行星的引力，更是困难重重。直到 1685 年，牛顿充分应用数学这个工具，克服了计算上的困难，证明了一个由具有引力的物质组成的球体吸引它外边的物体时，就好像所有的质量都集中在它的中心一样。有了这个证明，把太阳、地球、月球都作为一个质点看待的简化方法，就显得很合理了。
这一成就克服了困难，于是他努力把天体的力和地球上的重力联系起 来，用皮卡尔测量地球大小得到的最新数值，来计算月球运动。计算结果表 明，月球的向心加速度与地面上物体的垂力加速度之比，正好等于地球半径 的平方与月球到地心距离的平方比。牛顿进一步计算地球对其表面物体的引力，太阳对行星的引力，发现引 力是一样的，于是牛顿得出结论，地球对月球的引力和太阳对行星的引力是 同一种性质的力，也就是地球吸引它表面附近物体的那种力。
1686 年，牛顿写出《自然哲学数学原理》，正式发表了万有引力定律。 即任何两个物体间都有相互吸引力，这个力就叫万有引力，引力的人小跟它 们的质量成正比，跟它们之间距离的平方成反比。牛顿把哥白尼的观点、开普勒的定律、伽利略和他自己关于运动学和动 力学的研究成果融汇一起，总结出万有引力定律，创立了把天体运动和地面 物体运动统一起来的力学理论，构成了经典力学体系，取得了辉煌的成果。 牛顿在谈到自己在科学上成功的原因时，谦逊地说：“因为我是站在巨人肩上的缘故。”
