牛顿的生平与主要科学活动
牛顿(lssac Newton,1642~1727)是近代自然科学史上最负盛名的科学家之一。他对自然科学的贡献是多方面的，他对力学、光学、热学、天文学和数学等学科，都有重大的发现，其中以力学方面的贡献最为突出，他创建了以他的名字命名的经典力学体系，把力学确立为一门独立的体系严密的科学，并把力学应用于自然科学的各个领域，包括天文学，从而统一了天上和地上的物理学。
1642年伟大的近代科学的先躯者伽利略逝世了，但是另一位科学巨人牛顿在这一年的12月25日圣诞节的早晨，诞生在英国林肯郡的沃尔斯索普村。当时英国采用朱理亚．恺撒的旧历，到1725年英国才改用格列高里十三的新历。按新历计，牛顿的生日为1643年1月4日。牛顿是个早产的遗腹子，2岁时母亲改嫁，
由外祖母和舅舅詹姆斯抚养。12岁进了格兰瑟姆公立学校，读了四年。少年时的牛顿性情温和内向，与伽利略相似，喜欢动手制作会动的玩具，对机械制作和实验有着浓厚的兴趣，同时他也很喜欢数学和绘画。少年时代的牛顿是一位普通的农村少年，没有什么神童或天才的迹象。从保留下来的牛顿少年时代的几本笔记本中可以看出，他有一种把自然现象、语言等进行分类整理归纳的强烈嗜好，对自然现象极感兴趣。
在舅舅和格兰瑟姆校长的干预下，母亲打消了让他务农的念头，同意他去考大学。1661年6月5日牛顿以"减费生"的身份考上著名的剑桥大学三一学院。"减费生"是当时人们对那些得到某些优惠的穷学生的称呼。当时学院里祇讲授中世纪经院式的课程，但1663年发生了一个转折，对牛顿后来的科学生涯产生了很大的影响。有位姓卢卡斯(Henry
Barrow,1630~1677)的人在三一学院创办了一门讲授自然科学的讲座，主要内容在地理、物理、天文和数学等学科，第一任教师是巴罗(Isaac
Barrow,1630~1677)教授。他博学多才，是杰出的数学家和希腊语学者。牛顿在巴罗教授的指导下学业大有长进，开始显示出非凡的才能。他对自然科学和数学的出奇理解能力，引起巴罗教授的注意和重规。1664年经巴罗亲自考试，牛顿被选为他的助手，1665年牛顿获学士学位。
在这段时期，他学习了拉丁语、算术、三角和欧几里德的《几何原理》，哥白尼的日心说，在巴罗指导下他研究了开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》和一些数学著作。
60年代初淋巴腺鼠疫席卷英国。1665年剑桥大学被迫停课。是年8月至1666年3月25日，1666年6月22日至1667年3月25日，牛顿两度回到沃尔斯索普乡间的老家，他利用这两段在家避瘟疫的时间，对自然科学中许多领域的问题，进行了认真的思考。他在光学、数学、万有引力定律、化学和自然哲学等方面的基本研究思想和见解，都是在这段期间形成的，他的最重要的发现也是在这期间完成的。这是他一年中科学研究最旺盛的时期。牛顿在回忆这段生活时写道："1665年初，我发明了级数近似法，以及把任何幂的二项式化为这样一个级数的规则。同年5月，我发明了格雷戈里和斯卢赛乌斯切线法。11月，发明了正流数(微分)法；次年元月，发明了颜色理论，5月，开始研究反流数(积分)法。这一年里，我还开始想到把重力推广到月球的运行轨道上去(在知道了怎样来确定一个在球体中旋转着的圆形物对球面的力之后)，我就从开普勒定律…中推导出，使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比；而后把使月球保持在它轨道上所需要的力和地球表面的重力作了比较，发现它们近似相等。所有这一切都是在1665和1666年瘟疫流行的年代发现的。因为那现两年我有充沛的精力去搞发明创造，而且比以后任何时候，我都更致力于数学和哲学的研究。"
在1667~1687年，这20年间，是牛顿把1665~1667年期间所形成的思想加以发展、完善和成熟的时期，也是他科学生涯中全面丰收的时期。
1667年复活节前后剑桥大学复学，当年的秋天牛顿被选为"选修课研究员"，开始了教师的生活；翌年3月又被任命为"主修课研究员"；接着被授予硕士学位；1669年，年仅26岁的牛顿成数学教授。牛顿在事业上所取得的成功中，有着巴罗对他倾注的心血，是巴罗给他指明了攀登科学高峰的方向，是巴罗领着他走上近代自然科学，特别是光学和数学研究的第一线。巴罗于1669年辞去卢卡斯讲座教授职务，让牛顿接替他成该讲座数学教授，这给牛顿的科学生涯打开了广阔的前景。巴罗的这种伯乐识马的远见卓识和爱才让贤的无私精神成为科学史上的佳话。1670年起牛顿开始卢卡斯讲座的教授工作，讲授内容有光学、数学和力学，一年祇上8节课。作为补充，他同时讲授他的研究成果。由于内容深奥，学生们听不懂，教学较果不佳，因此在剑桥显露头角和名声大振的不是大学教授的牛顿，而是研究者的牛顿。
他在这段期间的主要成就有：1668年制成第一架反射式望远镜，三年后改进制成第二架望远镜，为此，1672年1月11日被选为皇家学会会员；1669年用级数展开法计算双曲线下的面积，同时发明了二项式定理；1672年进行了光谱色分析试验；1680年前后提出万有引力理论；1687年在哈雷(Edmund
Halley,1656~1742)的支持和资助下出版了《自然哲学的数学原理》，这是从哥白尼到牛顿时期动力学和天文学上所有发现的系统总结和发展。它以严密的数学推理和天文观测相结合，对物质的组成、相互作用和运动规律做了全面的论证，从而建立起一个完整的普遍的力学理论体系，被誉为所有科学著作中最伟大的一本。
《原理》出版后，由于过度疲劳及为最先发明权与几个同行的争吵，加上为了谋得牧入较高的职位，使他心境不佳，性格变得固执和易怒，患上了严重的忧郁症。他没有再作出任何重大的新发现，祇是完成了他以前对于光学和热学的研究。之后他又迷恋和钻研宗教和神秘思想，转向关于神学的着迷。在这期间，他获得了许多荣誉，1699年被聘为造币厂的厂长，这主要是他对金属化学极感兴趣并有足移的知识。同年被选为巴黎科学院院士。1689年和1701年担任剑桥在国会中的代表。1705年被封为爵士，从1703年11月30日起直到1727年3月20日逝世为止，一直担任皇家学会会长，死后享有葬于威斯敏斯特教堂的殊荣。1704年发表《光学》和《曲线求积法》，1707年《算术通论》出版。1711年《用无穷多项方程的分析》出版。
万有引力定律的发现经过
万有引力定律是在怎样的情况下发现的？牛顿发现此定律的思想活动过程怎样？有关这些问题的详细线索直到19世纪末期才发现，这是因为英国的朴次茅斯(Portsmouth)伯爵于1872年把牛顿的大部分遗着交给剑桥大学图书馆，以及《依萨克．牛顿爵士著作和藏书目录汇编》于1888年编成后，使对牛顿遗着的研究才有了可能。在这些遗着中记载了万有引力定律的发现经过和《原理》一书的写作经过，还有其它范围更为广泛的资料和原稿。
(1)引力思想的发展
在16世纪以前，人们对引力的认识主要受亚里士多德学说的影响，认为引力是物体自然趋向宇宙中心的大，这个中心就是地球中心。这种引力观与哥白尼的日心说产生了矛盾。按日心说的观点，地球绕太阳运行，太阳是宇宙的中心，为了说明地球为什么不趋向宇宙中的太阳，他明确表示，引力是一切在体的属性，是物质集聚的一种趋向，正是这种力将宇宙组合成一个整体。一切天体都具有引力。引力的中心是一几何点，这个点不一定在宇宙中心，而在物质球的球心。但是哥白尼并没有认识到宇宙的结构和行星的运动与引力的动力学关系，仅仅看作是一种天然的和数的和谐的关系。
1600年英国的吉尔伯特根据磁石的相互吸引的实验，提出磁力是维持太阳系并驱动行星沿各自轨道运行的原因，为近代引力理论提出了第一个物理模型，根据这模型，引力是相互的，引力中心不是几何点，而是具体的物质。开普勒在吉尔伯特理论的影响下，接受和发展了他的理论，并企图以此来解释行星沿椭圆轨道的动力学原因。他认为太阳具吸引行星使其在行星轨道平面内运行的原因，太阳本身是有磁性的。1619年开普勒在《宇宙的和谐》的一书中，提出"或者说，行星离太阳越远，它们的运动灵魂就越弱；或者说，在所有轨道的中心，即太阳上祇有一个运动着灵魂，轨道中心离行星越近，作用于行星的运动灵魂就越强，距离越远，则由于远的缘故，运动灵魂就越弱。"1623年在《宇宙的神秘》的新版本中，对上述观点作了明确的补充。"假如用力这个字来代替灵魂的话，那么人们就精确地掌握了天体物理的原理"。在这里，"力"第一次以物理意义提出，并与天文学联系在一起。这对引力的探索和天体物理的研究起了推动作用。但是他提出的太阳对行星吸引是太阳发出的磁力流，就像轮辐一样在行星轨道平面上沿着太阳旋转的方向转动着的观点，是错误的。按照这个观点，得出了太阳对行星的引力与太阳和行星间的距离成反比的结论。这是由于在开普勒的观念中，没有惯性的概念。他受亚里士多德力学的影响，接受运动物体柢有往不断增加推动力的情况下才能维持其运动的观点。而他的朋友伽利略则坚持认为行星的运动是"正圆"和"匀速"的天然运动，不需外力的推动，行星的运动是由"惯性"自行维持的。他们两人虽然是学术上挚友，但是他们从未相互了解对方的工作而彼此配合。他们虽然有可能把天文学和力学有机地综合在一起，发现天体运动的动力学奥秘，但是谁也没有做到。过了半个世纪，由牛顿完成了这一综合，发现了万有引力定律。
笛卡儿(Rene du Perron Descartes,1596~1650)跟伽利略一样，也相信行星沿圆轨道匀速运行。他试图把天体运动的原因纳入力学规律，提出漩涡说。认为宇宙是由不停旋转着的微粒所组成，太阳和行星便在各自的漩涡中心，行星漩涡带动卫星，太阳的漩涡带动行星、卫星和它们的漩涡。笛卡儿的漩涡说在当时曾产生很大的影响，而且使人们不再去注意引力问题的研究，1669年惠更斯以在小碗中旋转的卵石被转向碗底的实验支持漩涡说。但是笛卡儿的学说与观察到的事实不符，无法定量讨论引力现象，很快就被否定了。事实上，惠更期在研究摆的运动规律时，1659年就发现维持圆运动的物体需要一种向心力，并得到有关定量计算公式。他没有看出这对解决行星问题的重要意义，但是这对后来发现万有引力定律的反平方关系起了重要作用。
1666年，意大利的天文学家和数学家波雷利(Giovanni Alfonso
Borelli,1608~1679)提出一个重要的概念，认为行星的运动必须要存在一种平衡离心力的力，而这种力就是从太阳对行星的引力。他认为行星运动的自然趋向是沿直线运动，太阳的引力把行星偏离直线运动而在一个闭合的椭圆轨道上运行。离太阳越近运行越快，则引力必须相应增大，以平衡增大了的离心力，所以引力是距离的函数。到底是什么形式的函数？波雷利没有能找到。但是他的想法，对发现万有引力定律来说，无疑是提出了一条正确的道路。
伽利略的惯性原理后来发展到"直线匀速运动"的程度。在这原理指导下，人们用力学解释天体运动就必须回答下面两个问题：第一：行星的直线惯性运动变为弯曲的圆或椭圆运动的向心力满足什么规律；第二，提供行星沿闭合曲线轨道运动向心力的引力，是如何随相互吸引的两物体间的距离而变化的。英国皇家学会干事胡克(Robert
Hooke,1635~1702)已经察觉到引力和地球上物体的重力有同样的本质。他企图用实验来证明这种力与距离的关系。1662和1666年在深井和高山上比较物体重力的变化，但没有得出结论。1674年他曾对引力作了三条假设，已经揣测到万有引力的规律。同时对引力进行研究的还有英国皇家学会成员雷恩(Christoper
Wren,1632~1723)、哈雷等，他们都已经找到引力与距离反平方关系，但是无法证明在引力作用下行星如何沿椭圆轨道运动，无法证明对具有极大形状的天体，质量能不能看作是集中在球心上来处理。1679年底胡克曾写信给牛顿，问上述问题的结论。牛顿当时没有立即回答胡克的问题，而是进行了认真的计算，并得出正确的结论，直到1684年8月哈雷专程去剑桥向牛顿求教此问题时，牛顿立即回答了哈雷：行星在与距离平方成反比的引力作用下将沿椭圆轨道运动。哈雷问他结论怎么得出来的？牛顿告诉他是计算出来的，但计算记录找不到了。应哈雷的要求，牛顿于当年的11月把此问题的新的严格数学证明寄给了哈雷。在哈雷的资助下，牛顿把万有引力定律收集在《原理》中，于1687牢出版。
(2)牛顿的贡献
早在1665~1667年瘟疫流行期间，牛顿就考虑了引力问题，他利用自己发明的微分法来理解行星在椭圆轨道上的运动。当时他已认识到地球与月球是相互吸引的，并得到了向心力的规律和物体之间的引力与彼此距离平方成反比的关系。他是从开普勒行星运动第三定律推导出向心力规律的，进而导出引力的平方反比定律，并用以计算地球对月球的引力。从牛顿的手稿《朴次茅斯文集》中发现，在1666年牛顿就获得重力加速度的理论值与实验值"相当近似"(牛顿语)。这个发现与早期关于牛顿推迟二十年发表万有引力定律的原因的解释是矛盾的，早期的解释是说牛顿在计算中所采用的地球半径误差较大，以致于理论值与实验值不符而中断了对引力的深入研究。通过对牛顿手稿和通信的考察和分析知，牛顿推迟发表万有引力定律的原因是由于当时他未能确定球形物体对球外某点的吸引力如何计算；他所发现的万有引力定律能否经得起各种实验数据的检验，没有把握。虽然当物体彼此相距很远时，不必考虑球体的大小，但是为了慎重起见他还是没有发表。当1684年哈雷登门求教时，才把严格的数学证明过程寄给哈雷。这时牛顿已经掌握了用他发明的积分法，证明球状物体的引力可以看作质量全部集中于球心上的质点来处理。同时他证明了地球对月球的引力完全可以提供月球绕地球作圆周运动的的心力；太阳对行星的引力使行星按开普勒三定律所提出的规律运动。根据万有引力定律，牛顿提出地球由于自旋而呈椭球状的假设，实际观测证实了这点。牛顿的这一假设对其他天体也同样适用，对木星的观测也证实了这点。牛顿根据万有引力定律还正确地解释了潮汐的产生和地轴二分点的进动和岁差问题。
牛顿在万有引力问题上的具体贡献，归纳起来有三点：第一，运用积分法证明球体的引力场可以看作质量集中在球心上的质量来处理；第二，得到了正确的万有引力定律数学表达式；第三，把引力理论应用到一切吻体之间，使之具有普遍性，确定了天体之间的引力和地球上的引力的同一性。
《原理》一书的出版和经典力学的建立
《原理》是牛顿的代表作，也是力学的经典著作。它的出版标志着经典力学体系的建立。英国著名的科学史学家霍尔(A.Rupert
Hall)曾对《原理》作了如下的评价："整个科学史上没有一部著作在创新或思维力量方面可以和《原理》相媲美，在取得的伟大成就方面也是如此。没有一部著作使自然科学的结构发生如此重大变化。"
《原理》第一篇首先对一系列奠定力学基础的定义和公理下了定义，如质量、动量、惯性；力和向心力等等。接看陈述了著名的运动三定律和矢量叠加原理。第一篇中还提出了严谨的天体力学理论，论述了向心力和运动轨道之间的数学关系。证明了在与距离平方成反比的作用下，物体将沿圆锥曲线运动；引力的中心在圆锥曲线的一个焦点上。此外还证明了球体的引力与质量集中在球心的质点相同。对三体问题作了近似的解答。
第二篇讨论在有阻力的介质中物体的运动。同时批驳了笛卡儿的漩涡理论。
第三篇介绍了许多研究成果，并运用前二篇中推导出来的运动规律去解释自然界的实际问题和现象。最后以《论宇宙体系》作为结束。
《原理》是科学发展的历史过程中的一个重要里程碑；它不仅奠定了天体力学的基础，而且使经典力学形成一个体系完整、结构严谨的普遍的理论体系，被称之为17世纪的物理、数学的百科全书。从对科学发展所产生的影响和意义来说，祇有达尔文(Charles Robert,
Darwin,1809~1882)的《物种起源》可与之相比。
牛顿是近代自然科学奠基时期具有集前人之大成式贡献的伟大科学家。正如恩格斯对他所作的评价那样："他借助于万有引力而创立了科学的天文学，借助于对光的分解而创立了科学的光学，借助于二项式定理和无穷级数理论而创立了科学的数学，借助于力的本性的认识而创立了科学的力学。"
从伽利略到牛顿，在人类科学发展史上是一个极其重要的历史时期，这是一个产生科学巨人的时代，是实验自然科学诞生的时代，是近代自然科学大厦奠基的时代，它已经，并将继续对科学的发展产生深远的影响！