1.1.3 苹果砸出的经典时代

虽然开普勒、伽利略等科学家已经为近代物理学的发展给出了理论和科学实验的支持，但这些理论依然不够完备。例如，开普勒虽然提出了行星运动定律，但是并没有具体论证为什么行星会环绕太阳运转。而经典物理学大厦想要真正落成，还需要一位关键的人物来综合和完善这些科学理论，而这位关键的人物，就是如今人人皆知的伟大科学家——牛顿。

1688年，牛顿发表了著作——《自然哲学的数学原理》，由此将人类带入了经典物理学时代。牛顿的主要成就——对万有引力和力学三大定律的研究，云集在此时期。

牛顿认为，地球对地面物体有力的作用，并且这个力符合“万有引力定律”，从而证明和完善了开普勒关于天体运动的定律。关于牛顿发现万有引力的过程，相信大家都不陌生：一个年轻人对砸中他的苹果产生了兴趣，进而发现了万有引力定律。

所谓“万有引力”，即一切物体之间都存在着相互吸引的力。这个看起来简单的解释，却是一个非常伟大的发现。虽然开普勒等已经对天体运动有了一定的了解和理论归纳，但与前人的研究成果相比较，牛顿的理论更加系统全面，更能解释很多自然现象。这一定律的表达方式也更加简单——任意两个质点相互吸引，引力的方向在质点的连心线上，引力的大小与质点质量的乘积成正比，与质点距离的平方成反比。正是有了牛顿的万有引力定律，人们才得以解开宇宙运转的奥秘，并且借此研究和揭示行星环绕恒星运转的规律，以及卫星环绕行星运转的规律。

此外，牛顿还专门讲解了力学三大定律，即惯性定律、加速度定律及作用力与反作用力定律。

在牛顿力学出现之前，人们理所当然地认为，物体的运动需要力的维持，如果要物体持续不断地运动就必须给它以力的作用，就像推动一辆失去动力的汽车一样，一旦不施加力，它就会停下来。这种观点就像亚里士多德认为的轻物体比重物体落得慢一样。

牛顿则认为，当物体没有受到外力的作用时，它将保持静止状态或者匀速直线运动状态。只有当要改变物体的运动状态时——由静止变为运动、由匀速运动变为加速运动、由直线运动变为曲线运动，才需要力的作用。简单地说，就是“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”。也就是说，静止或匀速直线运动才是物体最“自然”的状态；如果没有受到外力的作用，物体将永远保持这种状态。这从根本上改变了人们认为的必须用力才能让物体运动的旧观念，而这就是牛顿的惯性定律。

加速度是描述物体运动速度改变的物理量，它既可以增大，也可以减小，我们可以将减小看作一种负的加速度。使物体产生加速度的原因是力，也就是说，要使物体的状态由运动变为静止或者由静止变为运动，或者使运动的物体速度增大或减小，都需要力的作用。

至于作用力和反作用力，从字面意义上就能够理解。例如，猴子去摇石柱，猴子对石柱产生了作用力，同时，石柱也会对猴子产生反作用力。作用力与反作用力的关系有三个：一是大小相等，二是方向相反，三是作用在同一条直线上。这就是牛顿力学的第三定律，相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，并且作用在同一条直线上。

牛顿把物理的一切运动和形变都归结于“力”的存在。如果没有力，所有的物体都不会改变运动状态；如果有了力，物体就会运动或者形变，力越大，运动或形变就越明显。

牛顿让很多常见的生活现象得到了科学的解释。例如，刹车的时候，乘客为什么会前倾；轿车启动的速度为什么会比卡车快；用力拍桌子的时候，手为什么会疼；地球为什么会围绕太阳转；等等。

至此，经典物理学的大厦最终落成。然而，就在科学家享受着物理学来之不易的“万里晴空”时，远方飘来了两朵“乌云”。