牛頓可以說是霸占了整個高中物理的半壁江山,，一起陪我們走過了那個在當時看來無比痛苦,，但多年之后回想起來卻無比激動人心的歲月。

牛頓出生于1643年1月4日,，關(guān)于他的生平,，在數(shù)學(xué)家牛頓那里已經(jīng)簡單說過了，這里就不多贅述了,，在西方史中我們還會介紹他更多的生平,。

【瘋狂數(shù)學(xué)家·牛頓】

我之前說過，每一位物理學(xué)家手中都有一套獨門秘籍,，可能會有人認為,，牛頓的獨門絕技是萬有引力吧。剛開始我也這么認為,，但后來我覺得,，牛頓的三大定律才是牛頓最偉大的創(chuàng)造。

實際上,，無論是牛頓的三大定律還是萬有引力，都是建立在前人的基礎(chǔ)上的,。比如萬有引力中,，引力隨著距離的平方呈反比,，這點在開普勒三大定律中就有所提及。而他的三大定律,，建立在伽利略的基礎(chǔ)之上,。

牛頓在他那本《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中說：“物質(zhì)固有的力，是每個物體按其一定的量而存在于其中的一種抵抗能力,，在這種力的作用下物體保持其原來的靜止狀態(tài)或者在一直線上等速運動的狀態(tài),。”

有人說相對論反直覺,，而牛頓的力學(xué)符合直覺,，可是細想一下，真是如此嗎,？為何西方世界自亞里士多德以來,，在2000多年的時間里面就沒有懷疑過呢？比如力不是維持物體運動的原因,，而是改變物體運動的原因,，這顯然并不符合直覺。

簡單概括一下,，牛頓的三大定律如下：

以上三條,，再簡單不過,，卻是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，也是高中物理學(xué)的基礎(chǔ),。有了這三條定律,，實際上可以自然推出萬有引力，而且可以將運動與力聯(lián)系到一起,，高中物理就可以出很多題,。

說句題外話,，我高一學(xué)物理的時候，第一章是運動,，第二章就是力,。學(xué)了力之后，我們就可以作圖,，分析物體的受力情況,，然后分析其運動狀態(tài)。在分析受力情況的時候,，平行四邊形法則出現(xiàn)在了我的工具箱中,，當我第一次看到老師用平行四邊形法則分析受力的時候，我還大吃一驚,，這也可以,？

如果有還在讀初中高中的小朋友或家長，記住一條,，碰到這類題目,，什么都不要管，先做受力分析,，注意看題目,，如果沒有告訴你是光滑的面，則一定不要忘了摩擦力f,。高一物理最重要的就是四個字：受力分析,！

在推導(dǎo)整個萬有引力大廈時，其實當時的法國也有一套描述天體運行的理論,，即笛卡爾提出來的漩渦理論,，但牛頓認為，這明顯與開普勒定律不相符,，于是他舍棄了漩渦,，概括了伽利略和開普勒的研究成果，從重力概念中引出了引力概念,，成功地解釋了天體現(xiàn)象,。

牛頓也做了一次思想實驗，他想象,，一座很高的山上有一門大炮,，如果大炮的發(fā)射能力非常理想，那它發(fā)出來的大炮將繞著地球做圓周運動而不會落到地上,，炮彈在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生向心力,，向心運動和原有的直線運動結(jié)合在一起，將使炮彈做圓周運動,。這種向心力實際上也是炮彈的重力,。如此,，這就可以解釋天體之間的互相旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,，行星與衛(wèi)星的運動都是由引力造成的,。

盡管萬有引力不是牛頓一個人的貢獻，但他的工作的確是總結(jié)性的,。他除了證明萬有引力的普遍性之外,，還提出了數(shù)量上的關(guān)系式。根據(jù)牛二和萬有引力,，其實我們也可以從數(shù)學(xué)上得出自由落體運動中,，下落的速度和物體的質(zhì)量無關(guān)。

F=ma

F=MmG/r2（其中,，m是物體質(zhì)量,，M是地球質(zhì)量）

F=ma=Mm G/r2→a=MG/r2

我們會發(fā)現(xiàn)，當一個物體自由下落的時候,，它的加速度只與地球質(zhì)量,、引力常數(shù)和距離地心的距離有關(guān)，而和自身質(zhì)量無關(guān),。據(jù)此,，我們也可以通過數(shù)學(xué)公式得出，在同一個星球上,，只要兩物體距離地心相等的距離,，那么它們下落的速度就一樣。

根據(jù)牛頓的理論,，地球?qū)⒉皇且粋€球形,，而是在兩極方向稍扁的扁球體。這點后來在法國科學(xué)家的測量下得到了證實,。

另外,，哈雷彗星的精確回歸再一次證實了牛頓的理論。

這里要記住一點,，預(yù)言哈雷彗星回歸其實沒什么大不了的,，但預(yù)言它什么時候，幾幾年回歸,，則是一個了不起的成就,。我在之前數(shù)學(xué)之美中也說了，定量比定性更重要,，也更本質(zhì),。

200年后，天王星被發(fā)現(xiàn)了,，但人們計算它的軌道時,，發(fā)現(xiàn)理論值和實際值有很大的偏差，于是有人就懷疑牛頓的理論是否正確,，但也有人認為理論沒錯,，只不過是有一顆新的行星沒有被我們找到。后來,，在德國天文學(xué)家的望遠鏡下,，一顆新的行星被發(fā)現(xiàn)了，它就是海王星,?？梢哉f，海王星是人們通過計算而后發(fā)現(xiàn)的,，以往人們有什么發(fā)現(xiàn),，都是先觀察到現(xiàn)象而后推理，而海王星則是先推理后出去找線索,。

理性主義在科學(xué)中也逐漸有了一席之地,，尤其是對于20世紀的科學(xué)家來說，很多東西都是人們先算出來,，而后再去實驗室里找證據(jù)。再如,，量子力學(xué)的發(fā)展，如果沒有一開始的理論建設(shè),，實際上也是很難形成氣候的,。狄拉克預(yù)言的正電子,，也是從數(shù)學(xué)公式中找出來的。

然而,，牛頓的力學(xué)盡管看上去非常偉大，包羅萬象,，似乎可以解釋這個世界上的萬事萬物，但卻會帶來一個隱患,，就是機械論宇宙,。牛頓力學(xué)中的時間與空間都是絕對的，時間可以為正，也可以為負,，我們根據(jù)牛頓力學(xué)既可以追溯過去,，也可以展望未來，這兩個過程沒有什么區(qū)別,，這就會導(dǎo)致時間沒有箭頭,，一切都似乎在機械地運行著。牛頓本人曾說：“大自然是一個永恒的循環(huán)的創(chuàng)造者,。”

牛頓的世界是一個絕對的時空觀,，時間，一分一秒流逝,，以相同的速度流逝,，對于任何人來講，都是一樣的,，無論你是在跑步,，還是坐飛機，還是在家打王者,，時間對每個人來說都是公平的,，它不會因為你是跑步7米每秒和他跑步10米每秒而區(qū)別對待。然而,，科學(xué)經(jīng)過這么多年的發(fā)展,，在今天，“時間對每個人都是公平的”這句雞湯是錯的,，時間也是有偏好的,，它青睞于勤奮的人，如果你每天都在運動,，都在折騰,，那么時間會比那些整天躺在家里的懶漢要過得稍微慢那么一丟丟。

只不過,，就算你用盡一生都在運動,，時間所給予你的恩賜也就是比懶漢多一秒鐘都不到。因此,，時間從粗略的角度看,，還是公平的。

而且,，引力在牛頓的世界中,，是一種瞬時作用，如果太陽突然某天消失了，那么我們還能看到太陽,，只不過是八分鐘之前的太陽,，因為光的傳遞需要時間，而牛頓的引力則不需要,，一旦太陽消失,，太陽與地球之間的引力也就瞬間消失，地球?qū)谖覀兛磥?，無緣無故被甩出了軌道,，或許會直接撞向木星吧。

然而,，這是錯的,，這個宇宙中的光速是一個極限（狹義相對論），就連引力的傳遞,，也是需要時間的,。可能會有一些大聰明要跟我杠了,，你怎么知道愛因斯坦一定就是對的呢,？幾乎我每隔一段時間都會看到這樣的言論，說自己發(fā)現(xiàn)了一個新的理論,?？梢酝品幸阎挠钪鎸W(xué)，甚至還不惜以愛因斯坦為靶子,。呵呵,，我只想說，你們的理論漏洞百出,，一點都不嚴謹,，最重要的是，里面竟然沒有幾個嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)公式,，連偏微分方程是什么都不知道,，這已經(jīng)很糟糕了。而且你們還貶損了愛因斯坦的聲譽,，因為愛因斯坦認定的是,，基于實驗的自然規(guī)律無法被人輕易推翻。

牛頓在物理學(xué)上的另一個研究就是光,，他認為,，光是由微粒構(gòu)成的，他支持微粒說,，而同時期的惠更斯則認為光是一種波,。由于牛頓享有盛譽，在死后也一直如此，因此,，微粒說一直占據(jù)了主流,，但波動說也并不是沒有反抗，盡管托馬斯楊的雙縫實驗被同時代的很多人認為他是一個瘋子,，但波動說在麥克斯韋的手中,，終于站穩(wěn)了腳跟。關(guān)于物理學(xué)界的“波粒戰(zhàn)爭”,，其實也是一個很有意思的話題,，在今后的人物中都會講到。

最后,，問你一個問題吧,，你覺得牛頓是發(fā)現(xiàn)了萬有引力還是發(fā)明了萬有引力呢？請說說你的理由,。

瘋狂物理學(xué)家

▲ 【伽利略】