1642年，我们上一篇文章的主人公伽利略去世，同年，牛顿出生。然后，牛顿就成了一个我们所有人都无法回避的名字！

 

小学的时候，牛顿被苹果砸出名了；中学的时候，牛顿的运动三定律和万有引力定律是无数人心里挥之不去的梦魇；大学的时候，学习相对论还要来跟牛顿力学做深刻的对比。牛顿是唯一一个可以与我们这个系列的主人公爱因斯坦比肩的科学家，牛顿的1666年也是唯一一个可以与爱因斯坦的1905年相提并论的物理学奇迹年。

 

牛顿是那个时代百科全书式的科学家，他的涉及面非常的广，从数学、物理学、化学（书被烧了）、仪器制造、经济学到炼金术、神学和政治，无所不包，他在物理学上的成就是最耀眼的，但是他却说自己在物理学上花的时间远没有在其他领域花费的时间多。

 

他在物理学上的成就主要是发现并总结了牛顿三大定律和万有引力定律，并基于此构建了一个全面的力学体系，于是我们就可以在一个统一的体系之下解释当时能观察到的一切力学现象。这些事情做完之后，牛顿就写了一本书来总结自己的物理学思想，这就是大名鼎鼎的《自然哲学的数学原理》，然后牛顿就等着被封神。

 

上面说的这些大家都很熟悉，按照惯例，大家都熟知的事情长尾科技是不会再多说的。这篇文章长尾科技想跟大家探讨另一个问题：牛顿的伟大是毋庸置疑的，那么牛顿到底伟大在什么地方？或者说他做的那些事情里哪些是最具有创造力，难度最大，非牛顿不可完成的？

 

牛顿力学体系的根基是牛顿三大运动定律和万有引力定律，我们分别来看一看。

 

牛顿三大定律

牛顿第一定律又叫惯性定律，它说任何一个物体在不受外力或者所受外力的和为零的时候，都将保持静止或者匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

 

牛顿第一定律是牛顿原创的么？不是！是伽利略在做实验的时候发现的。伽利略观察一个沿着光滑斜面向上滑动的物体，他发现这个斜面的倾角越小，这个小球的速度减小的越慢。于是他推测，如果这个小球在完全没有阻力的水平面上运动，它将一直这样匀速运动下去，这是针对亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”做的实验。

 

牛顿第二定律说力不是维持物体运动的原因，而是让物体产生加速度的原因，写成数学表达式就是F=ma（F是力，a是加速度，m就是物体的惯性质量）。

 

牛顿第二定律是牛顿原创的么？也不是！它依然是伽利略首先发现的。伽利略在做实验的时候就发现了物体速度的大小和方向的改变或者说加速度产生的原因归结为力的作用，这实际上就是牛顿第二定律的具体表述了。

 

牛顿第三定律说作用力和反作用力大小相等方向相反。

 

牛顿第三定律是牛顿原创的么？这回是的！而且单从它的内容看，这个看起来似乎应该显而易见。

 

万有引力定律

牛顿的万有引力定律说任何有质量的物体之间都存在者引力，这个引力的大小跟这两个物体的引力质量大小成正比，跟他们距离的二次方成反比。简单的说就是引力是万有的，质量越大距离越小的物体间的引力越大，反之引力越小。

 

写成公式就是下面这样（F代表引力的大小，M和m分别代表两个物体的引力质量，r是两个物体之间的距离，G是万有引力常数，大小为 6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²）：

 

这是一个非常了不起的定律，那么牛顿在其中扮演了一个什么样的角色呢？

 

万有引力定律的发现跟天文学密切相关。开普勒通过仔细分析第谷的天文数据，发现了三条行星运动的定律（1609年发现第一、二定律，1619年发现第三定律），这三条定律告诉我们：第一，所有行星绕太阳的轨道都是一个椭圆（不是哥白尼说的圆），而太阳在椭圆的一个焦点上（椭圆定律）；第二，行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积（面积定律）；第三，所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道长半轴的立方成比例（调和定律）。

 

开普勒的这三大定律告诉了我们很多行星运动的规律，开普勒也因此被称为天空的立法者。后面的科学家要做的事情就是从这三大定律和行星运动的数据里找到更加一般的规律。大半个世纪以后，哈雷、雷恩、胡克和牛顿这些引力的研究者都发现了至关重要的引力和距离平方成反比的关系，牛顿和胡克这两位当时第一、第二的物理学家更是为发现的优先权撕破了脸。

 

胡克说他更早就发现了引力定律的公式，并且写信告诉牛顿引力反比关系（意思是牛顿是从他这里知道这个的）。牛顿承认胡克写信告诉他引力反比关系了，但是他说他在更早的时候就已经自己发现这个了，压根就不用胡克告诉，因此他的发现依然是靠自己的（胡克心想又没有视频监控，你到底是什么时候发现的鬼知道）。

 

可能牛顿确实更早就发现了引力反比关系，后来胡克也发现了这个关系，并且也得到了万有引力定律的初步形式（确定了引力反比关系，这个式子基本上就出来了），但是胡克只是猜出了这个公式，还无法给出确切的证明。后来牛顿凭借自己高超的数学技巧（牛顿是那个时代最牛的数学家，可见数学还是非常重要的）对这个做了严格的证明，才正式宣布了万有引力定律的诞生。

 

科学家们关于科学发现优先权的争夺在科学史里屡见不鲜，长尾科技把牛顿和胡克的这个事搬出来也不是想去做历史解密，而是想告诉大家：在那个时候，万有引力定律公式的发现已经是水到渠成的事了。牛顿固然技高一筹速度更快，但是从上面的情况来看，即便没有牛顿，胡克或者哈雷也完全有可能很快发现这个公式。

 

牛顿伟大在哪里？

看了我上面的描述，你会不会突然觉得牛顿好像没有那么伟大了？牛顿三大定律竟然有两个是伽利略发现的，而万有引力定律公式的发现，他也只是比其他人稍微快了那么一点点。这样的战绩，还是我们大神牛顿么？

 

不！即便考虑到长尾科技上面说的这些，牛顿依然非常的伟大，只不过他的伟大可能跟很多人平常理解的有点出入。

 

大家有没有想过，既然牛顿三大运动定律有两条是伽利略发现的，而牛顿第三定律看起来似乎显而易见，那么，为什么伽利略不能建立一个完整的力学体系出来呢？

 

你可能会说伽利略还没有发现万有引力定律，所以无法建立完整的力学体系，没错，这是个好理由。那么，牛顿同时代的物理学家比如胡克、哈雷呢？胡克肯定知道伽利略的那些发现，他也大概知道万有引力定律的样子，那么为什么胡克不能建立一个完整的力学体系呢？

 

有人可能会说这不是被牛顿抢先了么？如果是胡克先完整发现万有引力定律的，没准胡克也能跟牛顿一样建立一个完整的力学体系出来。

 

是么？你真的觉得如果没有牛顿，胡克发现了万有引力定律之后能轻松建立一个完整的力学体系？你觉得万有引力定律最重要的是什么，是那个公式么？

 

不！

 

万有引力定律里那个最重要的东西，并不是那个公式，证明那个式子需要的是一些数学技巧（因为差不多那会儿大家都猜到公式应该长那个样子了），确实，没有牛顿胡克也可能发现。但是，如果没有牛顿，不知道要过多久才会有人发现这个定律其实是万有的！

 

没错，万有引力定律里最困难最具有原创性的思想不是公式本身，而是万有。

 

万有就是说这种引力不仅仅是行星围着太阳运动的原因，它也是苹果往下落，水往低处流的原因，也是人有体重，挑起来总要落回地面的原因。

 

万有就是说，原来天上和低下都遵循同样的运动规律，太阳系以内占据主导作用的是引力，而不是上帝。

 

我们想想，开普勒的行星运动规律只是描述行星围绕太阳转的运动规律，那么我最终得出的公式也应该是描述行星运动的规律。所以，意识到万有引力定律的“万有性”是一个巨大的突破，这一步需要极富创造力的头脑。

 

意识到引力是万有的之后，再结合伽利略说的“力是物理速度改变的原因”（牛顿第二定律），就会很自然的想到去分析在引力作用下物体的运动规律，而在这个时候牛顿在数学上惊人才华又发挥了巨大作用。

 

一些受力简单运动简单的情况，初等数学就够用了，但是当情况稍微复杂一点的时候，没有微积分就不行了。牛顿为了解决一些复杂的物理问题，竟然自己跑去发明微积分，这种任性，在科学史上再找不出第二个了。

 

牛顿集这种惊人的洞察力和惊人的数学才华于一身，这才从开普勒的行星定律发现了万有引力定律，并意识这是天上地下都遵循的规律。配合伽利略发现的两条定律和自己的第三定律，牛顿利用专业的数学方法和他自己发明的微积分，才构建了一套完整的力学体系，并解释了当时人们可以观察到的一切力学现象。

 

在那个时代，这种能力除了牛顿，没有第二个人具备，并且都还差得很远。所以，伟大二字，牛顿当之无愧。

 

结语

老读者肯定都还记得我之前写过一篇《重新认识《几何原本》——致那些年我们白学的几何》

（公众号里有），在那里我跟大家说过《几何原本》书里的那些定理在之前就都已经被证明了，欧几里得伟大的地方不是把其中的某个定理证明了，而是用一种精妙的逻辑把这些定理有机的串在一起，然后形成了一个完整的体系。

 

《几何原本》对牛顿的影响巨大，《自然哲学的数学原理》一书到处有《几何原本》的痕迹，牛顿构建力学体系跟欧几里得构建几何体系是不是也很相似呢？

 

伟人的伟大之处常常不是那么显而易见的~

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