中外科学家发明家丛书:牛顿-第4节
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雷恩虽然也有敏锐的数学头脑，但他承认自己的能力还不足以解答这个
问题，只能作一些初步的研究。但求胜心极强的胡克却抱着骑墙的态度说，
天体运动的规律这一问题他早就进行过深入地探索，并已经做了理论上的研
究和论证。但是他并不想马上发表，还想做进一步的研究，等别人没有解决
时他再宣布，从而使别人明白他研究的价值。
冬去春来，春去夏来，半年多过去了，但胡克仍然没有兑现他的夸口。
到了1894年8月，哈雷无法再等下去了，他决定去找英国另一位有能力解答
此问题的人——伊萨克·牛顿。此时的牛顿，早已是剑桥大学的教授并誉满
英国科学界了。于是，哈雷从伦敦赶赴剑桥，开门见山地向牛顿问道：“牛
顿先生，当一颗行星受到与距离平方或反比递减的引力吸引，那它的运行轨
道应该是什么样的呢？”牛顿毫不迟疑地回答：“椭圆。”哈雷接着问道：
“那您是如何得知的呢？”“因为我已经计算过了。”牛顿又回答道。
哈雷听后，愣住了，随即他请求牛顿立刻把计算稿给他看。当然，哈雷
想要的计算稿就是那些已被牛顿搁在一边的笔记，但牛顿早已经记不清到底
放在哪里了。在找了半天还没找到后，牛顿向这位年轻的来访者表示了歉意，
尽管哈雷比自己小 14岁，名声也不如自己；他还表示将把论证重新计算一
遍，随后寄给在伦敦的哈雷。三个月后，牛顿履行了自己的诺言，把他重新
计算出来的结果寄到了哈雷手中。哈雷进行了详细研读之后，被牛顿的才能
所彻底征服了，他认为这是天才的杰作。为了科学的发展，他非常希望牛顿
能将这项成果以及其他的研究成果公布于世。
不久，当哈雷再度前往剑桥拜会牛顿时，使他更加惊奇的是，牛顿竟取
出了厚厚的一叠手稿，题目是《物体运动论》。哈雷边浏览边称赞。这里面
不但详细地解说并论证了行星运动的轨道是椭圆形的，同时还将这些论据推
广到太阳系中的其他天体。而且行星运动轨道问题的解决，恰恰证明了牛顿
创立的万有引力定律的正确性。比如地球围绕太阳转时，它的运动可以描绘
成具有一个焦点的椭圆轨迹，而这个焦点正是位于引力的中心——太阳中
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心。
在结束了会面之后，哈雷就开始了他个人的奔走，不断地向科学界宣扬
牛顿这位只重研究、不重荣誉的天才科学家。同时他还恳切地希望牛顿马上
将 《运动论》一文提交皇家学会。牛顿被这位年轻人的热忱所感到，便同意
了他的要求。1684年12月，这篇论文在皇家学会被宣读后，得到了会员们
的一致喝彩。
哈雷是发现牛顿的一位英国伯乐，他本身就是一位杰出的天文学家和数
学家，所以他完全理解牛顿著作的极端重要性。哈雷是属于历史上罕见的人
——就他个人成就已经是一个伟大的人了，然而他还乐于推荐别人比自己更
伟大。
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五、 《自然哲学的数学原理》
1685年，牛顿43岁，正处于他科学创造才华的巅峰时期。在皇家学会
的一些成员，特别是哈雷的敦促下，牛顿开始着手撰写了一部直到今天仍被
誉为“个人智慧的伟大结晶”的科学巨著——《自然哲学的数学原理》（以
下简称《原理》）。
20年前，牛顿在家乡避疫时的惊人创造期前后共18个月。他将自己多
年的发明与发现写成《原理》这部伟大著作，也只花了同样长的时间——18
个月。这可算是一种巧合。在写作期间，牛顿想要把脑海中充满的20余年来
他在科学上探索的成果全部写出来；巨大的工作量使他倾注全力、废寝忘食，
他终日沉浸在计算、论证、定理、方程式、图表、数学与符号之中。
牛顿在写作《原理》时的许多个人生活细节，被他的秘书汉弗莱记载了
下来。《原理》的原稿就是经过汉弗莱的整理、抄写后交给出版者的。这位
青年秘书后来回忆到，在牛顿撰写《原理》时，他从来没见到过牛顿笑。但
他认为牛顿是一位“很温和、沉静、谦逊、从来不发脾气的人。”在汉弗莱
的日记中还写道：“他总是在沉思，把全部时间都用在了工作上，很少运动
或休息娱乐。他经常在半夜两三点钟才休息，有时甚至要工作到天亮以
后……”
汉弗莱还回忆到：“他吃饭很不经心，甚至常常忘记吃饭，以致我给他
送饭时，经常会发现在餐桌上前次送的饭他还没有吃。当我提醒他忘记进餐
时，他往往会吃惊地反问：‘我真的没有吃过吗？’然后缓缓地走到餐桌旁，
心不在焉地随便吃一点东西。”
牛顿的秘书也从来没有见到过牛顿毫无节制地喝葡萄酒或啤酒之类的饮
料。除了假日，他很少到餐厅吃饭；要好的朋友和他聚会时，他也从没时间
去理发：头发不梳、领带系不正、穿着磨掉后跟的皮鞋。
从这些回忆里，我们可以看出一位献身于科学的人的形象：他专心致志
于自己的工作，整天沉浸在科学研究之中，对于周围的一切全然不知。
在撰写《原理》时，牛顿按照逻辑排列，把这本书分为三部分。第一部
分是《物理运动论》的扩充，这一部分很快就完成了；1685年底，第二部分
也完成了；1686年4月，第三部分完成，这就标志着《原理》这一科学巨著
最终出现在世人面前。经过哈雷的提议，皇家学会决定立即将这部重要著作
复印。然而，当学会清查所存经费时，却发现所剩款项已不足以支付《原理》
出版的费用——在当时，出一本书要花大量的钱。
一个月过去了，皇家学会还没有得到足够的经费。哈雷不想让牛顿的这
一杰作无法问世，于是便向学会提出自己愿出资代学会支付出版费用。正因
为哈雷的努力，牛顿的书才得以很快问世。这件事充分显示了哈雷的高尚人
格；他自己也并不富裕，况且还有家庭的负担。为了让人类科学宝库中增添
一笔巨大财富，哈雷几乎倾其所有，他与牛顿这种建立在共同事业基础上的
支持和友谊是非常崇高的，其价值是无法用金钱来进行衡量的。在哈雷的全
力支持下，《原理》终于在1687年正式出版了。
牛顿的这部著作决非简单地总结前人的知识，而是反映牛顿本人成就的
一部科学巨著，是科学史上极有创见性的作品，占有重要的地位。牛顿不但
总结出力学的基本定律，而且还发明了证明这些定律的数学方法。书中所叙
述的一些运动定律，以前从来没有人像他讲得那样透彻。《原理》这部书精
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辟地解答了几个世纪以来最有才智的人都无法回答的问题。这本杰出的著作
的全部内容显得严正、简明而宏伟，使这部书及其作者——伊萨克·牛顿在
科学成就上达到了登峰造极的地步。
《原理》出版后，销量很好，第一版很快销售一空；半年后，这本书即
使以高于定价的几倍的钱，也难以买到。有一位年青的学者，因为没能买到
这本书，就索性手抄其中有关部分。
牛顿在《原理》中讲述了很多东西，这里只能把重要的内容概述如下：
这本书的开头，作者以导言的方式，开门见山地写明了他所确立的三大
运动定律：
第一定律：一切物体除非受到外力作用，否则原来静止的将保持静止，
原来运动的将保持匀速直线运动。
这个定律导入了“惯性”的概念，所以又叫做惯性定律。要理解这个定
律很容易，例如：假设你坐在一辆时速为40公里的汽车上，汽车忽然煞车，
那你的身体将会向前倾，这是因为虽然汽车借助外力停住了，而你此时仍处
在运动的状态中。反过来，如果你坐的车突然加速或停车后突然启动；那你
的身体就会向后仰。而你所感觉到的这个使你向前倾或向后仰的力就是惯性
在日常生活中的表现。所以，惯性就是物体有保持原有静止或运动状态的特
征。一个物体所具有的惯性量，与用以使物体减速或加速，停止或改变方向
所需的力成正比。
但是，也许有人会说：当给一个物体向前推动的力后，根据这一定律，
物体应该保持运动下去，但实际情况却是，在没有任何外力阻挡的情况下，
物体运行一定距离后就会停止，这该如何解释呢？好，现在就回头看第一定
律的第一个句子“一切物体除非受外力作用”，物体受力向前运动的同时，
就在受外力的作用，这个外力就是无处不在的摩擦力。正是因为有摩擦力的
存在，我们这个世界才会安全，否则一切物体受到一点外力就会永远运动下
去，那岂不是天下大乱了。
第二定律：当物体受到外力作用时，它的加速度与作用力成反比，与物
体的质量成正比，加速度的方向与作用力的方向相同。
牛顿的运动第二定律为科学家测量力提供了一个重要方法。根据物体的
质量和物体的速度变化，便可计算这个外加力的大小。第二运动定律提供的
数学关系能使科学家计算出地球表面上任何一点的引力大小。对于现代科学
工作者制定人造卫星运动轨道，这一定律具有非常重要的价值。
第三定律：两物体间的作用力与反作用力在同一条直线上，大小相等，
方向相反。
牛顿自己对第三定律作了这样的注释：“任何东西拉引或推压另一个东
西时，同时也要被那另一个东西所拉引或推压。如果你用手指推压一块石头，
那末手指也要被石头所推压；如果有一匹马拉引一块系于绳上的石头，那么
这匹马 （如果我可以这样说）将被相等的力往后拉向石头。”这一定律即是
作用力与反作用力的定律。
在今天，最能体现牛顿第三运动定律的重要性的，恐怕就是喷气式飞机
和火箭领域的应用了。
就喷气式飞机来说，它是由喷气引擎喷出的气体的后推力，反作用于引
擎本身，从而产生前推力的。而喷气引擎是吸气式的，在引擎里燃烧的热气
是以引擎从大气中吸进的空气为燃料的。火箭又是另一种情况，它自身携带
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燃料，能在没有空气，因而也没有空气阻力的外空间飞行。在接近于真空的
太空中，牛顿的第三定律很理想地起着作用。因为外空间没有空气阻力，火
箭引擎内部的强大推力便产生同样大小的、反方向的、使火箭前进的推力。
正是这股推力，使火箭达到极高的速度。现在，人造探测器已经能飞出太阳
系，而它们飞行所依据的基本原则，就是牛顿的运动第三定律。
在现代科技领域里，乃至我们的日常生活中，牛顿的三大运动定律，都
具有重要的意义。现代物理学与天文学工作者探求新知识所用的方法，基础
正是建立在这些定律上的。如摩天大楼的建筑、稳定桥梁的结构、机车的奔
驰、飞机的飞行、船只的行驶，甚至精确时刻的测定……这些都离不开牛顿
运动定律的实际运用。相反地，如果在工程建筑、机械制造以及应用等方面，
不仔细考虑到或运用牛顿力学的基本定律，常常会发生意想不到的事故。
但要注意的是，牛顿运动三定律中所说的“运动”，实际上只是机械运
动，并不能包括物质间的一切运动。这里所说的“不动”，也只是相对的不
动，而非绝对的不动。因为，地球整天不停地转动，所以地球上的任何东西，
当然也都跟着它不停地动；况且，世界上的一切东西，它自身就在不停地运
动、不断地发展着，是根本没有绝对不动的。这一点，牛顿当时还不可能认
识到。
牛顿在《原理》中首先列举的运动定律，是在前人积累的丰富的动力学
知识的基础上，再加牛顿本人大量的观察、实验、计算等辛勤劳动才总结出
来的。牛顿曾一再表示，运动定律的得出，在很大程度上是因为他从前人同
时代的科学家那里获得�
