摘要：如果我们非要说一个科学革命的核心人物，那无疑就是牛顿。在西方学者看来，牛顿是一个划时代的人物，人类的文明史可以分为牛顿之前的，和牛顿之后的。在牛顿之前，整个世界充满了迷信，人们习惯于从神那里寻找问题的答案。在牛顿之后，人类才真正懂得世界万物的变化是有规律的，而

艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643年1月4日－1727年3月31日）

如果我们非要说一个科学革命的核心人物，那无疑就是牛顿。在西方学者看来，牛顿是一个划时代的人物，人类的文明史可以分为牛顿之前的，和牛顿之后的。在牛顿之前，整个世界充满了迷信，人们习惯于从神那里寻找问题的答案。在牛顿之后，人类才真正懂得世界万物的变化是有规律的，而且这些规律是人可以认识到的，到此人类才真正“站立”起来。

01

牛顿之前的物理和天文学

在牛顿之前，物理学和天文学已经发展到了什么地步。物理学和天文学更早的时候被称为“自然哲学”，古代的学者们把自己对于世界规律的理解，都纳入到这项研究中。

在古希腊和古罗马时期，物理学和天文学的代表人物分别是阿基米德和托勒密。随后，物理学和天文学研究的中心转到了阿拉伯世界，在那里，阿拉伯科学家们发展出了基于实验的物理学。而这种治学方法又被传到了欧洲，代表人物是英国的罗吉尔·培根。虽然有了以上这些发展，但是在整个中世纪，近代科学那种靠实验和数学进行研究的方法，在自然科学研究中并没有占到主导地位。

一直到了文艺复兴之后，意大利科学家伽利略才促进了近代物理学的发展。他除了通过观察，证实了哥白尼的日心说，还通过逻辑推理和实验，纠正了亚里士多德在物理学上的一些错误结论。不过，伽利略也没能完全摆脱托勒密等人的影响，他依然试图通过圆的模型解释太阳系中星体运动的规律，但是依然得不到一个很准确的模型。

和伽利略同时期的德国天文学家开普勒，通过继承他老师第谷的观察数据，再加上自己的许多观察和实验，提出了一个新的、让当时人难以理解的想法，那就是地球等行星是围绕太阳做椭圆运动的。不过，开普勒并不清楚为什么行星运动的轨道是椭圆的。他只是发现这样一来，模型就和观察到的天体运动数据相吻合了。

英国伟大的科学家牛顿，他对近代天文学和经典物理学做出了创造性的贡献。

最终解释并且完善开普勒模型的，是英国伟大的科学家牛顿，他对近代天文学和经典物理学做出了创造性的贡献。

02

大咖牛顿的生平

按照现行公历，牛顿1643年1月4日出生于英国的一个小村庄。不过当时英国采用的还是旧的儒略历，根据旧历来看，他的出生日期应该是1642年年底的圣诞节那一天。按照这个年份，牛顿出生之年正好是伽利略去世之年。因此很多历史学家喜欢以此来说明伽利略和牛顿的继承性。

根据科技史学家和传记作家们的记载，牛顿是在乡村学校开始接受的教育，后来他被送到了英国格兰瑟姆的国王中学学习。当时牛顿的母亲曾想让他回家当一名农夫，所幸的是国王中学的校长亨利·斯托克斯（Henry Stokes）说服了牛顿的母亲，让牛顿完成了学业。

在国王中学时，牛顿曾寄宿在当地的药剂师克拉克家中，并对药剂师的继女斯托勒产生了感情。不过，之后斯托勒小姐嫁给了别人，牛顿也终生未娶。

剑桥大学

19岁时，牛顿前往剑桥大学求学，就读于三一学院。他喜欢阅读伽利略、哥白尼和开普勒等科学家的著作。在1665年，牛顿发现了广义二项式定理。这一年，大学因为伦敦大瘟疫而关闭，牛顿回到家中，并在此期间研究了光学和微积分。

1666年，牛顿提出了微积分，发现了“牛顿三定律”，并以此奠定了经典力学的基础。同一年，他还发现了万有引力定律，并且提出了一整套光学理论。因为短时间内涌现了这么多的科学成果，这一年也被称为是科学史上的第一个奇迹年。

1667年，牛顿作为研究生重返剑桥大学三一学院。在毕业后，他被剑桥大学任命为卢卡斯讲席教授。这个职位由于曾经被牛顿担任，至今依然是剑桥大学最崇高的讲席教授职位之一。在历史上，著名科学家巴贝奇、狄拉克和霍金等人，都担任过这个讲席教授。

03

牛顿开创的时代

说起牛顿在物理学上的贡献，大家通常首先想到著名的牛顿三定律和万有引力定律。其实，牛顿最大的贡献在于构建起了严密的物理学学科体系，并且用数学的方式将其变为一个逻辑严密、内部知识能够自洽的学科。

在牛顿之前，虽然科学家们发现了很多物理学现象和定律，但是这些知识点是支离破碎的，这就如同在欧几里得之前几何学的知识不成体系一样。到了牛顿的年代，他建立起了严密的物理学体系。而要建立一个学科的体系，首要的任务是先定义清楚各种基本的概念。

在牛顿之前，那些最基本的物理学概念，包括质量、力、时间和速度等，都没有清晰的定义，甚至是互相混淆的。比如之前人们就搞不清楚力、惯性和动能的区别，质量和重量的区别，速度和加速度的区别。我们今天很难想象如果这些概念彼此含混不清，物理学怎么可能构建起来，但当时的情况确实如此。

而牛顿准确地定义了物理学中很多最基本的概念，然后在这些概念的基础上，才提出了著名的力学三定律，进而提出了经典力学的各种定律。牛顿的这些工作过程，再次向人们展示了构建一个学科体系的方法。在牛顿之后，很多自然科学都逐渐从知识点向体系化发展。

除了定义清楚各种概念然后在概念之上构建科学体系外，牛顿对于近代科学的另一大贡献是将科学数学化。事实上，近代科学和古代科学的一个显著差异就在于，它们是否能够用数学公式或者类似的公式来描述。

在牛顿之前，大部分自然科学的规律都是用自然语言描述的，它们既不准确，又容易产生理解上的歧义。而牛顿的做法是，用数学的方式构建物理学。如果你读过欧几里得的《几何原本》和牛顿的《自然哲学的数学原理》，我们下面就简称《原本》和《原理》，你会发现这两本书在结构上是基本一致的。因为牛顿就是按照《原本》的逻辑结构，来写《原理》一书的。

在这两本书中，都是先有明确的定义。欧几里得的《原本》接下来设定了五条公理和五条公式，然后在此基础之上构建起几何学的大厦。而牛顿在《原理》中，先是提出了他的力学三定律，让它们扮演公理的角色，然后通过数学推导，构建出整个经典物理学的大厦。

在牛顿之后，科学发展的过程，其实就是不断地将新的科学知识点数学化，然后融入到已有的科学前提之中的过程。比如早期化学的发展，就是通过一个个化学方程式总结化学规律的过程。

到了近代，化学的规律，比如关于电化学，就是通过数学公式总结出来的。今天，那些难以用数学表达的科学，比如医学，它们本身算不算科学，学术界一直有争议。这主要就是因为，无法用数学表述的知识体系，通常不是十分严谨，因此很多人宁可把它们排除在科学的范畴之外。这个传统就源自牛顿。

作为经典物理学的奠基人，牛顿的另一大物理学贡献是在光学领域。人类对于光、颜色和视觉的研究历史悠久，比如毕达哥拉斯和原子论的奠基者德谟克利特等人认为，光是由物体表面的粒子组成。还有阿拉伯人和中国明末清初的科学家方以智，他们都发现了光的很多特性。但是这些都只是零星的描述，缺乏系统的分析。因此，他们的理论常常很混乱，甚至彼此矛盾。

牛顿超越前人的地方在于，他通过大量的实验，系统地研究了各种光学现象，然后提出了自己的理论假设。再用各种实验证实了他的理论，然后再把他的发现提升为具有普遍应用价值的理论。在实验的基础上，牛顿精炼出光学的基本概念，阐述了光的基本性质，最终提出了完整的粒子说。

因此，在牛顿之后，人类对光学的认识从自发状态进入到自觉状态，并且主动应用光学理论解决实际问题。比如说，牛顿完整的光学理论让他得以自由地将已有的颜色混合，产生新的颜色，这是我们今天使用的彩色显示器（电视机）、彩色胶卷和彩色数码摄影背后的光学原理。甚至在艺术上，19世纪绘画艺术中印象派的兴起，也和人类对光学的认识直接相关。

除了进行光学的理论研究之外，牛顿还运用自己的光学理论，发明了牛顿反射式天文望远镜，对天文学做出了巨大贡献。今天，世界先进的韦伯太空望远镜，就是根据牛顿反射式望远镜的原理制造的。

牛顿通过万有引力定律，阐释了宇宙中日月星辰运行的规律。他从理论上解释了他的前辈开普勒总结的星体运动三定律，说明了为什么行星和卫星运动的轨迹是椭圆的，并且对开普勒理论不精确的地方做了修正。

这件事情不仅为长达两千多年的日心说和地心说之争画上了句号，日心说完全胜过了地心说，而且对人类的认知意义很大。因为从此之后，宇宙中星体的运行和各种天文现象都变得可预测了，人类面对宇宙从此有了非凡的自信心。

牛顿的理论，也影响了和他同时代的科学家。比如同时代的哈雷，就利用牛顿的理论，准确地预测出一颗彗星回归的时间。这颗彗星也因此以哈雷的名字命名，也就是我们比较熟悉的“哈雷彗星”。

牛顿之后，很多发明则是先通过理论的推导，预测可能观察到的结果，然后再通过实验证实

在牛顿之前，几乎所有的科学发现都需要先观察到现象，才能发现规律。在牛顿之后，很多发明则是先通过理论的推导，预测可能观察到的结果，然后再通过实验证实。后来海王星的发现，广义相对论、引力场、暗物质和暗能量的理论，都是先进行理论推导，然后逐渐被证实的。

04

总结

牛顿是近代科学历史上，划时代的人物。在物理学上，他提出了著名的牛顿三定律和万有引力定律，并且构建起了整个物理学的学科体系。在天文学上，他发明了牛顿反射天文望远镜，阐释了宇宙中日月星辰运行的规律，让人类此后面对宇宙有了非凡的自信心。

来源：小邱的科学世界