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1、 人类最伟大的十个科学发现之三： 三大运动定律 在牛顿以前，天文学是最显赫的学科。但是为什么行星一定按照一定规律围绕太阳运行？天文学家无法圆满解释这个问题。牛顿（Isaac Newton，16431727）（左图）是物理学家、天文学家和数学家，经典力学理论的集大成者。他系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作，提出了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。万有引力的发现说明，天上星体运动和地面上物体运动都受到同样的规律力学规律的支配。在牛顿发现万有引力定律以前，已经有许多科学家严肃认真的考虑过这个问题。比如德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家约翰开普勒（Johanns Kepler
2、,1571-1630）（右图）认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，他认为这种力类似磁力，就像磁石吸铁一样。1659年，荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安惠更斯（Christian Huygens 1629-1695）（左图）从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。英国实验物理学家罗伯特胡克（Robert Hooke，16351703）（右下图）等人认为是引力，并且试图推到引力和距离的关系。1664年，胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果；1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和英国天文学家、数学家哈雷（Edmond H
3、alley，16561742）（左图）从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。1666年前后，牛顿在老家居住时考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，牛顿常常在花园里小坐片刻。有一次，象以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢？牛顿思索着。终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。1674年，胡克发表了试证地球的运动(Attempt to Prove the Motion of the Earth)。胡克在这篇著作中，阐述了自己的行星运动理论:一切天体都具有倾向其中心
4、的吸引力或重力；天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变；离吸引中心越近，吸引力越大；行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。胡克研究重力学的历史长达20年，但因他不擅长数学，计算不出行星的运行轨道。1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比，他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明
5、地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。1684年1月，哈雷、胡克、克里斯托弗雷恩 (Christopher Wren)（右图） 等人在一起作了一次有意义的讨论。他们当时已认识到起吸引作用的向心力是和距离的平方成反比的，但还缺乏数学的论证。特别是无法证明服从此定律的天体的运动轨迹应为椭圆 (更普遍地说，应为圆锥曲线)。哈雷由于这个问题得不到解决，于8月到剑桥大学去请教牛顿。他一开始就向牛顿提出问题：假定重力随距离的平方而减少，那么行星遵循的轨道应是什么样的曲线？牛顿立即回答说应是一个椭圆。使哈雷更惊奇的是，牛顿说他对这个问题已经作过计算，
6、当时就开始找计算草稿，但没有找到，最后他答应把稿子找出来后再寄给哈雷。牛顿后来还是没有找到计算草稿，于是他重新作了计算，并进一步认真推敲了这个问题。1684年11月，牛顿给哈雷寄去了一篇论运动(De motu) 的论文手稿，并在1684-1685年间在剑桥作了一系列名为论天体运动的演讲。哈雷把牛顿寄给他的重要论文呈报皇家学会登记备案。在哈雷的敦促下，牛顿着手写自然哲学的数学原理(Principia) 这一巨著（左图），并于1686年4月把原稿交给皇家学会。由于经费问题以及牛顿和胡克间为万有引力定律发明权的争执，皇家学会未能安排该书的付印。最后，哈雷决定由自己出钱替牛顿出版此书。这样，牛顿的这一巨著才于1687年问世。牛顿在这部书中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。
