世界近代中期科技史-第3章
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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，而在对力学现象进行定性描述和定量分析时，却缺
乏明确的力学范畴，即没有明确的力学概念。为此，牛顿首先在力学概念上
进行了研究，较为明确地提出了质量、动量、外力等一套力学概念。
对于质量，牛顿吸取了化学家波义耳的质量概念。1660年，波义耳进行
了关于气体容积与压力的关系实验时，曾从气体的密度引出质量概念。牛顿
把这一概念引入力学中，指出质量是“用它的密度和体积一起来量度的”物
质的量。
对于动量，牛顿以他的质量概念为基础。指出动量是“它的速度和质量
一起来量度的”运动的量。
对于外力，牛顿吸取了当时静力学中外力的概念，特别是吸取了伽利略
的惯性原理中的外力概念，指出外力是“一种为了改变一个物体的静止的或
等速直线的运动状态而加于其上的作用力”。
此外，牛顿还提出了惯性、向心力、加速度、相对运动、绝对运动等力
学概念的明确定义。
在建立了质量、动量、外力等一套明确的力学概念以后，牛顿对客观力
学现象进行了广泛的实验、观察与分析，在发现万有引力运动定律的过程中，
同时发现了著名的牛顿力学三定律。
第一定律：在不受外力作用的条件下，任何物体都保持原有的静止或匀
速直线运动状态。按照牛顿的本来表述是：“每个物体继续保持其静止或沿
一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态”。因为
这一定律是用来描述物体运动的惯性原理的，因此，这一定律也称为惯性定
律。
第二定律：在外力作用下，“运动的改变和所加的动力成正比，并且发
生在所加的力的那个直线方向上。”在一般情况下，也表述为：在外力作用
下，物体的加速度与外力成正比，与物体的质量成反比；加速度的方向在外
F
力的作用方向上。其数学表达式为F = ma或a = 。其中F为外力，m为质
m
量，a为加速度。
第三定律：作用力与反作用力大小相等、方向相反。按照牛顿本来的表
述就是：“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物
①
体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。”其数字表达式为
F=…F。
在发现运动力学三定律的基础上，牛顿还从三大定律出发，作出了三大
定律的一些推论，如关于一个物体同时受两个力作用时的运动方向与所需时
间的推论，关于力的合作与分解的推论等。这样，牛顿就以他的力学概念、
三大定律、基本推论为主要内容，实现了17世纪中期以前的力学的一次大综
合，从而奠定了经典力学的理论基础。
力学三定律是一个整体，是经典力学的基础。第一定律从质的方面反应
了物体惯性的本质，第二定律是从量的方面说明了作用力与物体之间的关
① ＇美＇H·S·塞耶： 《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社1974年版。
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系，第三定律揭示了机械运动的一个矛盾：作用力与反作用力。而惯性与力，
是全部牛顿力学中的两个最基本的概念。
由于万有引力定律的发现，由于力学三大定律的发现，一个以宏观低速
物理现象为研究对象的经典力学体系，也就由牛顿建立起来。
牛顿的经典力学成果，集中地反应在他的《自然哲学的数学原理》这一
巨著中，全书共分三卷。其中第一卷和第二卷均为“论物体的运动”，讨论
从天体力学到运动力学的一般力学规律问题，第三卷为“论宇宙的体系”，
讨论行星、月球、慧星、潮汐和岁差等具体的天体力学问题。全书在 1687
年5月出版。按照自古希腊以后的传统涵义和当时语义内涵，所谓自然哲学，
实际上指广义的自然科学。因此，所谓《自然哲学的数学原理》，实为《自
然科学的数学原理》。牛顿在这一著作中所讨论的自然现象的普遍性，以及
他所用的数学方法的严谨性，使这一著作无愧成为经典力学的奠基工作，经
典力学体系由于此书的完成也就初步建立起来。
4。机械自然观的确立与牛顿的综合
牛顿生活在英国资产阶级革命后的王政复辟时代。他在哲学思想上主要
受从培根、霍布斯（1588—1679年）到洛克（1632—1704年）的唯物主义经
验论的影响。正是在这种唯物主义经验论的影响下，才形成了他在自然观与
方法论上的自然科学的唯物主义基础。
牛顿的《自然哲学的数学原理》一书，不仅奠定了近代力学的基础，它
还展示了近代科学上最早的理论体系。这本书首次告诉人们，与从演绎原理
出发人为构成的哲学体系相区别的，一个始终以实际经验为基础，由逻辑推
理构成的科学理论的体系究竟应该是怎样的。
《原理》全书共分为三部分，这三部分前面还有两节——定义和公理（或
运动定律）这些内容具有极为重要的意义。在前面，在卷首，有致读者的序
文。牛顿在序文中表明了自己用数学形式论述力学的基础上来说明整个自然
现象的愿望。
在《原理》的第三卷中，牛顿曾列出自然哲学（实为自然科学）的四条
基本推理法则。
“法则1：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界其
他原因。”
“法则2：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。”
“法则3：物体的属性，凡既不能增强也不能减弱者，又为我们的实验
所能及的范围内的一切物体所具有者，就应视为所有物体的普遍性。”
“法则4：在实验哲学中，我们必须把那些从多种现象中运用一般归纳
而导出的命题看作是完全正确的，或者是非常接近于正确的；虽然可以想象
出任何与之相反的假说，但是没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现
例外之前，仍然应当给与如此对待。”
从牛顿所列的这些推理法则可以看出，牛顿坚信物质世界的客观性、统
一性、因果性和规律性。正是从自然科学的唯物主义的这些基本信念出发，
牛顿实现了机械自然观与科学方法论的综合。
在近代科学革命兴起之初，哥白尼和维萨里等人虽然动摇了神学自然观
的基础，但他们并没有建立起一套新的自然观。直到19世纪初年，当法国哲
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学家伽桑狄使以伊壁鸠鲁为代表的古希腊哲学中的原子论复兴后，特别是伽
利略的运动力学与刻卜勒的天体力学的影响日趋增大之后，一种以力学观念
为基础的机械自然观即处于初步形成之中，而笛卡尔则是一种自然观在初步
形成时期的代表人物。笛卡尔认为，物质的唯一属性是广延，因此他以广延
为基础，提出空间、时间、重量和速度是物质世界的基本量纲。正是从这些
基本量纲出发，笛卡尔为物质世界建立起了一幅最初的机械图景，并因此奠
走了机械自然观的初步基础，但他却没有使机械自然界观最终确立。
牛顿批判了笛卡尔把物质与空间等同的思想，吸取了笛卡尔的空间和时
间是基本量纲的思想，建立了绝对时空观。牛顿认为：所谓“绝对的空间”
就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；牛顿也
提出过相对空间的概念，不过他认为相对空间只是绝对空间的可动部分或者
量度。为了证实绝对空间的存在，牛顿还设想过著名的水
