第三章
開啟近代科學之門
科學的發展到了近代，隨著生產力的發展，給科學帶來了勃勃生機，科學的前進更進一步推動了生產力的發展，科學和生產力相輔相承，並駕齊驅。
輝煌放射的近代科學，是以燦爛的牛頓時代為開端的。
在牛頓時代，力學經過開普勒和伽利略，已經麵臨著新的突破，化學經過波義耳以後走上了康莊大道，醫學、生物學、生理學經過哈維，列文虎克和胡克已逐步形成體係，數學經笛卡兒之後符號演繹體係已經初步形成，天文與地質學也有了新的進展。這樣，就逐步地以牛頓力學為骨幹，形成了一個初步的自然科學體係。
牛頓是近代偉大的科學家。恩格斯曾對牛頓在科學上的貢獻作過高度的評價：“牛頓由於發現了萬有引力定律而創立了科學的天文學，由於進行了光的分解而創立了科學的光學，由於創立了二項式定理和無限理論而創立了科學的數學，由於認識了力的本性而創立了科學的力學。”
可以看出，牛頓是傑出的物理學家、天文學家和數學家，他在科學上的發明創造重大，對人類和科學的貢獻卓著。
是牛頓天資聰穎、才華出眾而有這麼多的發現嗎？那麼牛頓的生活全貌會給你答案。青壯年時期，牛頓勤奮學習廢寢忘食地工作，兢兢業業專心致誌地思考，而取得了巨大的成就。牛頓謙遜地說：“我隻是對一件事情很長時間、很熱心地去思考罷了。”在晚年，牛頓沉醉於宗教意識中，再也沒有什麼成就。
1642年，偉大的科學家伽利略逝世，巧的很，就是這一年，又一位傑出的科學家牛頓誕生了。
偉大的牛頓
伊薩克·牛頓，生於英國北部林肯郡一個偏僻的伊耳索浦村的一個農民家裏，是一個農民的遺腹獨生子。他生下來體重不足，身體虛弱，似乎不能長大成人。兩歲時，母親改嫁，由外祖母撫養，後來他母親又變為寡婦。
幼時的牛頓多災多難，身體不好，可是，後來經過調養和鍛煉，逐漸強壯，居然活到了86歲高齡。
由於沒有在溫暖的家庭裏長大，牛頓小時候並不聰明，性格內向，膽於較小。在小學讀書時，除了數學外，各門功課都不好，沒有什麼進步，因此，老師是不喜歡他的。
但是這個成績不好的學生卻有著自己的業餘愛好，就是積攢零花錢去購買斧子等木工工具，儼然是一個小木匠。他做了一些風車、風箏、日晷、漏壺等實用機械，都十分精巧，經常得到同學和鄰居的稱讚。
由於成績不好，對自己做出來的器械也講不出道理，有時受到一些同學的嘲笑。有一次，牛頓興致勃勃地抱著自己做的心愛的水車，到校園一角的小河進行試驗，好多同學也跟著來看熱鬧，當水車受水衝而轉動時，牛頓興奮地跳起來，大家也都誇牛頓做的水車好漂亮。這時，有一個找岔的同學問牛頓：
“水車為什麼碰上水，就轉了呢？”
牛頓隻知道水車被水衝就會轉，可答不出為什麼。
“你說呀，講不清道理，最多隻是個笨木匠。”
“笨木匠！”“笨木匠！”大家齊聲起哄。
有一個同學還踢了牛頓一腳。水車也被打壞了。
這次受辱，刺激了牛頓的求知欲，牛頓決心努力學習，解釋其中的道理，於是成績不斷上升，成了優等生。
牛頓仍然製作器械，模仿得更巧妙，並且富有創造性。例如，他做的風箏，很講究形狀、尾巴的重量和線的著力點。
1656年，牛頓輟學，幫助母親耕種。牛頓很體貼母親的艱辛，什麼活都搶著幹。但是少年時代的牛頓，滿腦子充滿了理想，一有空閑就躲起來看書。
一天，牛頓正在聚精會神地看書，被舅舅發現了，舅舅認為他偷懶，不好好耕種，而十分生氣，想去責罵他。走到麵前，舅舅看到他正在讀數學書，非常感動，認為牛頓必有出息，便建議讓牛頓繼續讀書。牛頓的母親終於接受了建議。
1661年，牛頓考入劍橋大學三一學院。在這所大學，集中了全國各地的優秀學生，牛頓雖然是伊耳索浦的高才生，但和其他同學相比，仍然成績平平，牛頓毫不氣餒，學習更勤奮，更刻苦。別人休息了，他還在努力，就是這樣最終才得以成績名列前茅。
在三一學院，牛頓幸遇了著名數學家巴羅和數學教授路卡斯。路卡斯雖然在數學上沒有驚人的成就，但他發現了牛頓，認為牛頓是一個很有才能的人。於是對牛頓格外教導，牛頓不懈地學習，數學成為牛頓最拿手的一門功課。這為他以後的科學探索打下了基礎。
1664年，牛頓被選為三一學院的研究生，1665年又被選為校委。年青的牛頓開始步入研究階段。
就在這年6月，倫敦流行鼠疫，一旦傳染上這種可怕的疾病的後果是可想而知的，劍橋大學決定暫時停課，牛頓隻好回到了家鄉伊耳索浦。
回到故鄉，牛頓並沒停止科學研究，因為要研究的問題很多很多。在學校裏讀書、做實驗，當然方便。在鄉村，同樣可以攻讀名家經典著作，更重要的是，經過全麵思考，把學到的知識歸納整理。
翻開名家著作，那是一副副自然科學飛速發展的畫卷。望遠鏡打開了觀察太陽黑子、月球上的山巒和峽穀的通道；顯微鏡揭示了生物結構的內幕；折射定律的數學公式；血液循環和紅血球的發現等等。牛頓博覽群書，受益匪淺。
1669年，牛頓被聘擔任路卡斯的數學講座。這時牛頓已經26歲，還沒有發表過什麼東西，也沒有引起更多人的注意。
通過多年的勤奮學習，牛頓掌握了豐富的科學遺產和最新成就，這為牛頓的科學研究打下了堅實的理論基礎。
牛頓研究科學的方法有自己的特點，不是以假設來解釋現象，而是以理論和實驗來加以證明。牛頓非常重視實驗，在他的科學活動中，絕大部分時間都是在實驗室中度過的。他一般要工作到夜間兩點鍾才去睡覺。有時遇到重要的試驗，常常幾個星期一直留在實驗室，不分晝夜，直到試驗完成。
正是因為牛頓親自參加實踐，重視實驗事實，因此才能把無數雜亂的材料加以整理，使之上升為係統的、科學的理論，從而在自然科學好幾個領域內都作出了傑出貢獻。
四大定律
牛頓在物理學上的貢獻主要表現在發現力學運動三定律和萬有引力定律。
物體為什麼會運動呢？
早在20O0多年前，古希臘的哲學家亞裏士多德根據經驗提出：為了使物體不停地運動，必須持續不斷地有力作用於物體上，沒有力的作用.物體就會停下來。也就是說，推一個物體的力不再去推它時，原來運動的物體便歸於靜止。
比如，牛拉車時。牛用力拉車，車便前進了；牛停下來，不用力了，車也就停下不動了。
很明顯，亞裏士多德認為維持運動需要力。
真的是這樣嗎？假如有人推著一輛小車在平路上行駛，然後突然停止推它，小車不會立刻靜止，它還會繼續運動一段很短的距離。這一段很短的距離沒有人推，為什麼能運動呢？亞裏士多德錯在哪裏呢？當時的科學家們無法弄清楚。
I6世紀末，意大利青年物理學家伽利略，做了物體沿斜麵運動的實驗，發現物體沿斜麵向下運動時，速度越來越大，沿斜麵向上運動時，速度越來越小。從這裏他想到，如果沒有摩擦力，物體在不傾斜的水平麵上運動時，速度應該不變。
牛頓在總結了伽利略等人研究成果的基礎上，進行不斷的研究。
在人推車的實驗中，如果把道路修整得越平滑，車輪上塗油等外部的影響減少，車子滑行的距離會更長。牛頓想方設法減少車輪與路麵之間的摩擦力，但是不可能得到沒有摩擦的平麵。牛頓絞盡腦汁，考察、研究，終於想出了當路麵絕對平滑時，車輪也毫無摩擦，那小車就沒有任何東西阻擋，就會永遠運動下去。
牛頓據此總結出物體具有保持原有的勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質，並作為一條定律提出來。
一切物體在沒有受到外力作用時，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止。這就是牛頓第一定律。物體的這種保持原有的勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質，叫做慣性。因此，牛頓第一定律又叫做慣性定律。
物體具有慣性的例子是很多的。任何靜止不動的物體，如果沒有外力作用，它是不會自己動起來的；切運動的物體，如果沒有外力的作用，它也不會靜止下來。
坐在勻速行駛的汽車中的乘客，當汽車突然刹車時，上身會向前傾。這是因為乘客的下身受車廂摩擦阻力的作用隨車廂一同靜止，而上身由於慣性保持原來向前運動的速度，所以向前傾。
在牛頓第一定律中，我們已經知道，物體沒有受到外力作用時，就會永遠保持靜止或勻速直線運動狀態。如果有外力作用時，將會出現什麼結果呢？
一輛手推車，你用小力去推，它起動得慢；你用大力去推，它起動得快。起動的過程就是從靜止到運動，是一個加速運動的過程，可見，對同一個物體，受的力越大，它產生的加速度越大。你向哪個方向推車，靜止的車就向哪個方向運動，即加速度的方向跟力的方向是相同的。
兩輛手推車。一輛裝滿了泥土，它包含的物質多，即質量大；另一輛車裝的少，它包含的物質少，即質量小。用同樣大小的力分別推這兩輛車，你會發現：質量大的車，起動得慢，即加速度小；質量小的車，起動得快，即加速度大。
牛頓通過實驗認識到，物體產生的加速度，不僅跟力有關，而且跟物體的質量有關，這就發現了運動的第二定律，即牛頓第二定律：
當物體受到外力作用時，它的加速度與作用在它上麵的力的大小成正比，與物體的質量成反比。加速度的方向與力的方向相同。
牛頓第二定律在科學技術的各個方麵都有著廣泛的應用。比如，迫擊炮在發射時，為了增加射程，就需要設法增大對炮彈的推力，使炮彈在膛內運動時有較大的加速度，從而得到比較大的出口速度，炮彈的出口速度越大，它的射程越遠。
在學生時代，我們可能有這樣的體驗，當我們坐在椅子上用力推課桌時，會感覺到書桌也在推我們，因而身體要向後移。當兩條小船停在水麵時，如果甲船上的人推乙船，會發現兩條船同時向相反的方向運動。也就是說，當一個物體受到力的作用時，它同時對施力物體也有力的作用，通常把前者叫做作用力，後者叫做反作用力。
牛頓通過實驗進一步發現，作用力和反作用力無論大小如何，總是相等的；作用力和反作用力總是同時產生的，沒有先後之分，同時增大，同時減小，同時消失；作用力和反用力在一條直線上，但它們的方向相反，分別作用在兩個物體上。牛頓得出了這樣的規律：
當一個物體對另一個物體施加力的時候，承受力的物體也用同樣的力，反過來作用於對它施加力的前一個物體上，兩物體間的相互作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。這就是牛頓第三定律，也叫做作用與反作用定律。
人在地麵上行走，人給地麵一個向後的作用力，地麵也給人一個相等大小的向前的反作用力，正是利用這個反作用力，才使人得以向前行走。用槳劃船也是為了取得反作用力。用槳向後劃水，水就給槳一個向前的反作用力，使船向前運動。如果劃水的方向不同，得到的反作用力的方向也不同，因此還可以使船向不同方向轉彎。
牛頓對物理學最重要的貢獻是發現了萬有引力。
物體在空中下落的運動，是一種常見的運動。但是物體為什麼會下落到地麵，就像蘋果為什麼會落到地上，而不飛上天呢？
從古代起，就有人注意到這種運動形式，並對它的規律提出過一些看法，認為物體由於本身重量而下落，越重的物體下落得越快。譬如，一個蘋果比一片樹葉落得快。17世紀以前的學者，許多人是這樣認為的。
傳說，在16世紀末，意大利物理學家伽利略做過這樣的實驗。1590年，他登上50多米高的比薩斜塔，讓1磅重和10磅重的兩個球同時落下，在場許多人看到它們差不多同時到達地麵。
其實，不同重量物體下落的快慢是相同的。我們平常看到物體下落的快慢不同，並不是由於重量不同，而是它們由於受到空氣阻礙作用不同的緣故。1971年，美國宇宙航行員斯科特在月球上讓一把錘子和一根羽毛同時落下，由於月球上沒有空氣，它們確實同時落到月球表麵上。
一個美麗的秋天，晴空萬裏，陽光普照，讓人心曠神怡，在屋裏工作了一天的牛頓絲毫也沒有察覺。傍晚，他感到有些疲倦，便到後院走走，不知不覺地，走到了蘋果樹旁。那棵蘋果樹結滿通紅的蘋果，在晚霞裏閃閃發光。牛頓坐在蘋果樹下，仍然沉浸在思索中。
突然一個蘋果從樹上掉了下來，落在牛頓的身旁。他感到納悶，周圍風平浪靜的，這個蘋果為什麼會掉下來呢？牛頓苦苦思索其中的緣由。
夜深了。
左思右想。忽然，牛頓的頭腦中出現了這樣的想法，是地球吸引了蘋果，一定是地球對蘋果的吸引力，才使蘋果落到地上，否則蘋果為什麼不往上飛呢？
長期以來，想了又想的問題，終於找到了解決的線索，牛頓情不自禁脫口而出：“明白了！物體的下落原因原來是地球引力的結果。”
觀察天體運動
找到了地球上物體的力學原理，牛頓又進一步地去探索天體奧秘。
很早以前，古人就從農業和航海等實際需要出發，開始了對天體運動的觀察。那麼日月星辰是怎樣運動的呢？
希臘天文學家在2世紀寫了《天文集》一書，闡述了地球是宇宙的中心，靜止不動，太陽，月球、其他行星都圍繞地球運行。這就是托勒玫的地心體係即地心說。
1543年波蘭天文學家哥白尼在他的著作《天體運行論》中，詳細地闡述了太陽是中心的學說，叫做日心說。
他認為，所有的行星都是沿著圓形軌道勻速地繞太陽旋轉，月球繞地球旋轉，同時跟著地球繞太陽旋轉，月球是地球的衛星。地球除了繞太陽公轉，還每天自轉一周，正是地球的自轉，才使得日月星辰看來每天是東升西落。
德國天文學家開普勒，進一步研究了行星運動的規律，提出了開普勒三大定律。開普勒研究了行星運動的軌道、速率和周期，正確地回答了行星是怎樣運動的問題。