世界近代中期科技史-第3节
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年4月6日，牛顿把《原理》的第三卷也提交给了皇家学会。
牛顿从1684年11月至12月间开始写作《自然哲学的数学原理》的第一
卷，到1687年4月提交《原理》的第三卷，经过两年多的紧张工作，这部用
拉丁文写作的三卷本科学巨著，终于全部脱稿了。
① ＇英＇斯蒂芬·F·梅森： 《自然科学史》，上海译文出版社1980年版，第186页。
① ＇英＇J·K·斯科特：《数学史》，商务印书馆1981年版。
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《原理》的三卷手稿全部提交给皇家学会之后，由于皇家学会一时凑不
出足够的出版经费，同时由于胡克提出的万有引力发现居先权的争议，皇家
学会无法出版。最后，哈雷慷慨解囊，于1687年5月资助出版了牛顿的这一
著作。
可是，事过6年之后，胡克又提出了万有引力发现的居先权问题，这不
能不使与会会员大为惊异，同时也使牛顿本人深感震惊。
②争论的原因。胡克是17世纪中期的以天文学、力学、光学、生物学和
化学等方面的成就著称的科学家。
胡克在力学中的建树，表现在他的力学实验中，胡克在1659年对格里凯
抽气机进行了改革，并用这种抽气机协助化学家波义耳进行大气压力实验，
使波义耳发现了大气的体积与压力成反比的定律，即著名的波义耳——马略
特定律。此外，胡克还进行过弹性力学的实验研究。他在弹簧的应力实验基
础上，发现弹性物体的应变与应力成正比的定律，即著名的胡克定律。这一
定律虽然直到1676年才以字谜的形式陈述出来，并迟到1678年才以定律的
①
形式发表出来，但胡克本人早在1660年发现了这一定律 。
那么胡克对万有引力发现的居先权是否真实？这要从引力理论发展的历
史源流来说。
17世纪初，吉尔伯特发表《磁石论》，天体和地面物体运行的力学规律
即已受到天文学家和物理学家的重视。吉尔伯特已试图运用磁力理论对天体
运行的力学规律进行探讨。而伽利略的落体定律及其朦胧的引力观念、刻卜
勒的行星运动的三定律及其最初的天体引力思想，事实上已分别在力学和天
文学的领域内播下了万有引力定律的理论种子。
但是，在刻卜勒发现行星运动的第三规律和提出最初的天体力学理论
后，他的理论思想在半个世纪之内未引起人们的充分重视。只是到了六十年
代中期，人们才重新关注这一问题。在意大利、荷兰、英国、相继出现了一
些引力问题的研究者。
1666年，意大利物理学家博雷利（1608—1678年）重新提出了刻卜勒的
引力理论，博雷利是比萨大学的数学教授、佛罗伦萨实验学院的院士。他继
承了伽利略的力学传统，同时吸取了刻卜勒的引力思想。博雷利在研究行星
的运行轨道时认为，行星轨道之所以是椭圆轨道，是由两种相反的力合成的
效果。其一是把行星吸向太阳的引力，其二是使行星离开太阳的离心力。这
两种力合成之后，其运动就像用绳索系住石头后让它旋转一样。博雷利提出
这一假设之后，未能对这一假说进行数学论证。但博雷利重新提出行星轨道
的力学问题，说明研究引力理论的条件已经成熟了。
荷兰著名物理学家惠更斯在研究动力学的过程中，也研究了引力问题。
1673年，惠更斯发表了他的动力学著作《摆钟论》。在这一著作中，惠更斯
论述了他所发现的向心力定律：即当一定量为m的物体以速度V在半径为r
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的圆上运动时，其向心力所产生的加速度a为V/r。向心力定律的发现传到
英国后，直接推动了牛顿对万有引力定律的研究。
在英国，则出现了更多的热心的引力理论研究者，因为此时行星运动的
引力问题已成为英国最吸引人的前沿科学问题。由于刻卜勒定律的影响，不
少科学家都发现了太阳对于行星的引力，并且推测到这种引力随行星到太阳
① ＇英＇J·R·帕廷顿：《化学简史》，商务印书馆1979年版，第86页。
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的距离的平分成反比的变化。后来，由于惠更斯发现的向心力定律的影响，
天文学家和物理学家进一步被吸引到引力问题的研究中，其中，牛顿、胡克、
哈雷和雷恩便是试图攻下引力问题这一科学难关的最热心的代表人物。
胡克的引力问题研究是以伽利略的运动力学为基础的，胡克在研究中发
现，如果用伽利略的惯性原理解释行星运动规律，必然要从力学理论上引出
这样两个问题：其一，使行星轨道弯曲成圆或椭圆所需要的向心力；其二，
证明太阳的引力提供了行星运动所需要的向心力。这两个问题都需要研究向
心力或引力随两物间距离的变化而变化的规律。胡克正是从这一问题走向引
力定律研究的。
1662年至1666年间，胡克根据他的上述推想，进行了一项试图探索引
力随距离变化的引力实验，他在深井和高山上量得同一物体的重量，试图通
过同一重物在与地心处于不同距离时的重量差，来求得引力随两物体之间的
距离的变化规律。但实验没有成功，因为山的高度与地球的半径相比是微不
足道的。
1664年，当雷恩在与胡克的一次聚会中商讨慧星的轨道问题时，胡克根
据他当时对引力问题的研究，指出当慧星靠近太阳时，其轨道是弯曲的。而
慧星轨道弯曲的原因，正是来自太阳的引力。
惠更斯在1673年发现向心力定律之后，为引力定律研究提供了新的理论
借鉴。因为运用这一定律，即可以从刻卜勒的行星运动的第三定律直接推导
出引力的平方反比定律。虽然惠更斯本人可以做到这一点，但他却未从理论
上做出这一推导。
惠更斯的向心力传到英国之后，立即引起了牛顿、胡克、雷恩、哈雷等
人的重视。1674年，胡克提出了关于引力的三条假设。第一，一切天体都有
倾向自身中心的吸引力，这种力又作用于其他天体。因此，不仅太阳和月亮
对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳、月亮同样有影响，其他行
星对地球的运动也都有影响，从而指出了引力作用的普遍性。第二，作直线
运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其偏斜之前，继续保持直线运动
不变；受到其他力的作用时，它的直线轨道就会倾斜，沿椭圆、正圆轨道或
某种复杂的曲线运动。这就找出了吸引力同天体运行轨道的联系。第三，物
体离吸引中心越近，所受到的吸引力越大，具体数量关系尚待实验中解决。
我们一旦知道了这个数量关系，就可以很容易地解决了天体运行的定律了。
1680年初，他又明确地提出引力同距离平方成反比的思想。所以英国科学史
专家贝尔纳认为，万有引力的基本概念是属于胡克的，但他缺乏牛顿那样的
数学才能，所以没能明确地提出万有引力的公式。
在相继发现引力的平方反比定律之后，由于种种原因，胡克未能对引力
的问题进行更深入的研究。只有牛顿以引力的平方反比定律的发现作为他研
究万有引力定律的新的起点，向着万有引力定律的目标继续前进，并最终发
现了万有引力定律。
发现引力的平方反比定律并不等于发现万有引力定律，这一点，胡克本
人也是清楚的。在牛顿尚未发现万有引力定律之前，胡克曾在1679年写信给
牛顿，问他能否根据向心力定律和引力的平方反比定律，证明行星运动是椭
圆轨道运动。胡克不仅在这一信中提出了这个问题，而且指出了解决这一问
题所在。胡克认为，证明中的最大困难，是如何把太阳和行星这样庞大的天
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①
体质量，都看作好像是集中在它们各自的中心点来处理 。显然，胡克的这一
力学思想与力学方法，与牛顿后来在1683年所采用的把两天体同时作为两个
质点来处理的方法是一致的。在这一力学思想和力学方法上，也许牛顿确实
曾受到过启迪，因为胡克的这一思想和方法的提出，要比牛顿实际运用质点
力学的处理方法早4年。而牛顿又是确实知道胡克提出的这种类似质点观念
的思想和方法的。因此，就这段史实来看，胡克向牛顿提出万有引力发现居
先权之争，确实也事出有因，有理可据，因为牛顿确实有可能从胡克的信中
受到理论和方法上的启示。
1679年，牛顿没有能够回答胡克的来信中提出的问题，因为牛顿本人在
万有引力定律上尚处于踌躇不前的状态。
1684年，哈雷在研究刻卜勒的行星运动的第三定律时，认为向心力也是
与距离的平方成反比的，但哈雷自己当时尚无力从数学和力学上证明这一
点。因此，哈雷与雷恩和胡克的一次聚会中，把他的发现作为一个问题提了
出来。胡克当即声称，他可以证明出来。可是，他并未真正拿出这一问题的
证明来。据说他当时曾声称，他要等到别人试作的证明都失败以后，他才把
自己的证明拿出来，这样人们才会真正赏识他的功劳。由于胡克素有吝啬和
爱讥嘲的名声，因此雷恩和哈雷均对胡克采取不信任的态度，同时由于哈雷
对胡克的证明不满意，所以1684年8月，哈雷带着万有引力定律的证明问题，
专程前往剑桥大学三一学院向牛顿请教，牛顿说这个问题他已经证明出来
了。
这样，当牛顿于1684—1685年在剑桥作了题为《论天体运动》的讲演之
后，特别是牛顿在1886年春天向皇家学会提交《自然哲学的数学原理》的第
一卷之后，一场万有引力定律发现的居先权之争也就随之爆发了。
胡克提出的居先权之争并非毫无理由，他与牛顿大体同时发现了万有引
力，但他们在这一发现上所取得的成就不是等同的。这种差异集中表现在：
牛顿不仅发现了万有引力，而且最终论证了万有引力定律；胡克在引力问题
的研究上虽然比雷恩和哈雷更深入一步，发现了万有引力，但并未能像牛顿
那样证明万有引力定律。他们在万有引力问题的研究中所以表现出明显的差
异，是由于他们两人在科学思想、科学方法和数学基础方面的差异造成的。
3。经典力学体系的建立
牛顿对力学的研究与天文学的研究是紧密结合、齐头并进的。可以说，
他对天文学的研究促进了他对力学的研究，而他对力学的研究也推动了对天
文学的研究，两者交互作用的产生，便是由他建立起来的天体力学。如果说，
万有引力定律的发现奠定了天体力学的基础的话，那么这块基石的支点之一
便是力学。
在牛顿之前，比较全面地研究宏观物体运动的力学现象的代表人物是伽
利略，伽利略虽然未能建立起完整的经典力学体系，可是他在受控实验基础
上对惯性原理的表述，对抛物运动的分析，对落体定律的表述，以及由此形
成的地面运动力学的基础，无疑是牛顿建立经典力学的基本前提。与此同时，
刻卜勒的行星运动定律及其天体力学思想的胚胎，同样也是牛顿建立经典力
① ＇英＇斯蒂芬·F·梅森： 《自然科学史》，上海译文出版社1980年版，第184— 185页。
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学的基本前提。此外，笛卡尔和惠更斯等人对力学所作的积极贡献，也是牛
顿建立经典力学的重要借鉴。
牛顿研究了伽利略、刻卜勒等人的力学成果，感觉到，他们俩人在力学
中虽然取得了重要成就，而在
