万有引力定律的发现
万有引力定律的发现
伊萨克·牛顿是英国物理学家、数学家、天文学家。他由于在科学上的发明创造重大，对人类和科学的贡献卓著，而闻名于世。这位伟大的科学家和发明家，总结了力学三大定律，证明了万有引力，发明了三棱镜和反射望远镜，创立了微分学，攻破了颜色之谜……
牛 顿
牛顿为什么会有这么多的发现和发明呢?
也许有人认为完全是因为他天资聪明、才能出众。事实上，这种看法就连牛顿本人也不会同意的。他说:“我只是对一件事情很长时间、很热心地去考虑罢了!”勤奋地学习，废寝忘食地工作，专心致志地长时间思考，是他成功的主要原因。
要想了解牛顿的生活全貌和他的重大发明，故事就要从头说起。
1642年圣诞节(12月25日)的早晨，在英国北部的一个偏僻的农村——伍耳索浦的农民家里，诞生了一个男孩，他就是伊萨克·牛顿。他生下来不足1.5千克，属早产儿，只有一点点气息。在他出生前的几个星期父亲就离开了人间。两岁时母亲改嫁，由外祖母抚养他。后来，他母亲又第二次变为寡妇。这个苦命的孩子，真是多灾多难!
牛顿并不是一个聪明伶俐的孩子，胆子很小，不过他喜欢独自沉思默想。在小学念书的时候，他只擅长数学，其他功课都不太好。老师在提到学习成绩不好的学生时，差不多总提到他，因此，他很少得到老师的赏识。然而，说来也奇怪，这个劣等生却有着特殊爱好，并能持之以恒。他课余时间经常把母亲给的一点零花钱拿去买斧子、凿子等木工工具，做了许多风车、风筝、日晷、漏壶、木制时钟等实用器械，非常精巧，常常受到同学和邻居的称赞。一天早晨，牛顿兴致勃勃。平时，这个什么也不会的小家伙，总是一个人呆呆地站在校园的角落里，可是这天却变成了另外一个人。原来他又做成了一台心爱的小水车，爱不释手，紧紧地抱在怀里。
“伊萨克，你做了个什么呀!”
一进校门，小朋友们就一窝蜂似的拥到他的面前，七嘴八舌地问个不休。
“水车呗!”
“能转动吗?”
“当然能转啦!还没有试车呢。中午休息时，咱们试试看吧!”
刚到中午，伊萨克就抱着水车到小河边去了。在他的后边，一个跟着一个地来了许多小朋友。
校园的一角，有一条美丽的小河。伊萨克和小朋友们一起动手用小石头把靠近两岸河水浅的地方堵住，水车就架在这窄窄的河水上。刚开始，水车嘎嗒嘎嗒直响，不一会儿就轱辘轱辘地转动起来了。“哎呀!转了!转了!”小朋友们都拍着手欢呼起来，赞不绝口地说他“了不起”。这时，班里一个成绩优秀的少年，听见他们吵吵嚷嚷的声音，也凑了过来，说:“嘿，这水车做得可真好哇!是谁做的呀?”
“是伊萨克做的。真漂亮!”
素日，这个少年最瞧不起牛顿。他看大家都在夸牛顿，非常气愤，便想找岔儿给牛顿一个难堪。
“喂，听着!伊萨克，为什么水车碰上水，它就转了?”因为牛顿认为有了水，水车就会转，这是天经地义之事，所以他什么也没答出来。
“不知道了吧!不懂道理就瞎干，任何价值也没有。你倒说说呀!”这个少年阴阳怪气地说。牛顿的脸一下涨红了，战战兢兢地小声说:
“那是因为水冲撞的缘故呗!”
“那说明不了问题!说不清道理，顶多也不过是个笨木匠。”于是，那些小朋友们也开始对牛顿起哄，叫喊:“笨木匠!”“笨木匠!”……这时，有个粗暴的少年说:“为什么一声不吭，你这个笨蛋!”他一边喊着，一边冲着牛顿的腰窝狠狠地踢了一脚。
“哎呀，好疼!”这个平时不爱生气的胆小鬼，再也忍受不住。他站起来大声喊道:
“你想干什么……”接着就向那个小家伙猛冲过去，在班上一向夸耀自己是力大无穷的野小子，没有料到竟被牛顿撞得一趔趄。豁出命来的牛顿，不容对方站稳，接二连三地冲撞，终于把他打倒在地了。从此以后，牛顿便产生了自信心。他那一直沉睡着的“顽强精神”被唤醒了。牛顿开始努力学功课，不久，对各门功课都发生了兴趣，终于成了班里数一数二的优秀生。
进入中学后，牛顿寄宿在一个药剂师的家里。当时，镇里安装了一架用于水利排灌的风车，大家都感到新奇，从老远跑去参观。牛顿看了风车回来，精心制作了一个小风车，放在药剂师家的房顶上。然而，风车在没风时是不会转动的，于是，牛顿便抓了一只老鼠，放到风车里。由于老鼠在风车里爬动，风车便转动起来了。少年牛顿不仅是模仿，而且还有创造呢!
1658年9月3日，多年罕见的狂风暴雨侵袭着英国北部农村大地。那天，天空一片漆黑，狂风怒吼，已经没有人在室外活动，唯独牛顿在暴雨中。他顺着风拼命起跳，接着又迎风拼命地跳，接着又侧身向着风跳着，并且还把斗蓬扣子打开，兜着风跳。每跳一次，就量一下跳的距离，然后计算风的力量。这对于一个十多岁而又不懂多少数学的孩子，是何等地困难啊!正是这股劲，为了攀登科学高峰不畏艰难险阻，才使他考上英国名牌大学——剑桥大学。(https://www.daowen.com)
1661年，牛顿进入剑桥大学，同来自全国各地的优秀学生一道开始了顽强的学习。虽然，伊萨克在伍耳索浦是优等生，可是，在剑桥大学却不是这样。这里集中了各地的高材生，牛顿显得很不起眼。他在各门课程里，数学最差。尽管自己花费比别人多两三倍的时间，可是还赶不上别人。但牛顿并不因此而气馁，经过百折不挠的努力，大学三年级时，数学终于成了牛顿最拿手的一门功课，他的成绩名列前茅。这给他后来的伟大发明打下了基础。
1665年，牛顿从剑桥大学毕业，为了继续搞研究，他仍留在大学的研究室工作。年轻的牛顿，终于迈进了自己新的研究阶段了。
可是，就在这年6月，“鼠疫已在伦敦流行”的风声传到了剑桥大学。剑桥大学当局怕传染上这可怕的疾病，决定暂时停课，牛顿无奈又回到故乡伍耳索浦去了。他虽然回到乡下，可是丝毫也没有倦怠，因为要研究的问题堆积如山。在学校里读书、做实验，固然是做学问，但更重要的是，在有了一定基础之后，必须充分思考，把学到的知识加以归纳整理，这才能做到百尺竿头，更进一步。对牛顿来说，在故乡安安静静的两年，也是丰收的两年。
那是一个自然科学飞速发展的时代。望远镜打开了观察太阳黑子、月球上的山峦和峡谷、木星和土星的通道;显微镜揭示了生物结构的内幕，人类科学研究开始进入一个崭新的微生物世界;折射定律的数学公式，望远镜的光程设计，气泵的发明，血液循环和红血球的发现——这一切都是自然科学在许多领域(天文学、光学、热学、气体力学、化学和生理学等)取得的重大进展。这对牛顿的影响是很大的。然而，牛顿研究科学的方法，与同时代的科学家相比，却显得很独特。正如他在《光学》一书中开头所写的那样:“我写这本书的想法，不是以假设来解释光的种种性质，而是以理论和实验提出光的种种性质，并加以证明。”牛顿善于观察自然现象，进而发现自然规律，认识科学规律的本质。
让我们看看牛顿在故乡18个月写下的光辉的科学发现的新篇章吧!
“当汽车急刹车时，车上的人都往前倾斜。”这个现象大家都会解释:那是由于惯性的缘故。但在三百五六十年前，牛顿在研究惯性定律的时候，却是颇费心机的。当时物体的运动规律对于人们还是一个谜。有名的亚里士多德曾对运动进行研究，他认为要使一个静止的物体产生运动，必须人推、手提、马拉，根据直觉认为运动是与推、提、拉相连的，于是得出结论:“推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。”
这成为后来两千多年中大家公认的一条原理。现在我们知道它错了。它究竟错在哪里呢?三百五六十年前的人们无法弄清，科学家对此也是模糊不清。
牛顿更加严格地考察了运动。他通过观察指出，假如有人推着一辆小车在平路上行驶，然后突然停止推它，小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。怎样才能增加这段距离呢?牛顿想出了很多办法，像在车轮上涂油，把路修得平滑等。车轮转动得愈容易，路愈平滑，车便可以继续运动得愈远。但这些做法有什么作用呢?牛顿思考着。他自言自语地说:“这只有一种作用:外部的影响减少了。”即车轮里以及车轮与路面之间的那种所谓摩擦力减少了。对一般人来说，这已经是对观察得到的现象的一种理论解释了，但牛顿并没就此止步，而是进一步去考察、研究……他终于想出了当路面绝对平滑时，车轮也毫无摩擦，那就没有什么东西会阻止小车，而它就会永远运动下去，由此得出最原始的牛顿第一定律——任何物体，只要没有外力改变它的状态，便会永远保持静止或匀速直线运动状态。
那么，当有外力作用时，它将会怎样运动呢?牛顿认为:“当物体受到外力作用时，它的加速度与作用于它上面的大小成正比例。加速度的方向与力的方向相同。”因此，在有阻力存在的情况下，运动会停止。这就发明了运动的第二定律。
经过分析和实验，牛顿得出:“当一个物体对另一个物体施加力的时候，承受力的物体也用同样的力，反过来作用于对它施加力的前一个物体上。”这一规律，就是牛顿发现的运动的第三定律，也叫做作用与反作用定律。
牛顿对物理学最重要的贡献，是发现了万有引力定律。
那是1666年一个秋天，天空晴朗，灿烂的阳光同往日一样照耀着伍耳索浦这个和平的村庄。牛顿这天一早就开始在屋里埋头用功，感到有些疲倦。他想休息休息，于是，手里拿着笔记本到后院散步。
后院连着田地，那里的苹果树上结满通红的苹果，在晚霞的沐浴下闪闪发光，格外好看。这些天，占据牛顿心灵的，到底是什么问题呢?哥白尼提出地动说，一开始就遭到了罗马教皇在宗教上的残酷迫害。可是，由于伽利略、开普勒等人的研究，即使是反对地动说的一些人，也不得不承认这种学说是正确的。关于地球、火星、金星等行星怎样运行的规律，已由开普勒定律证明。至于行星为什么要那样运行的道理，谁也不知道。
今天，从早到傍晚，关于天体运行的问题一直在他头脑中回旋。
“为了使地球、火星、金星等围绕太阳运转，太阳就必须牵引着这些行星。为了使月球围绕着地球运转，同样地球也必须牵引着月球。因此天体之间肯定是引力在起作用。”
正当坐在苹果树下的牛顿，沉浸在苦苦思索之中时，忽然有一个苹果从树上落了下来，掉在他的身边。
他看见了，觉得很奇怪。他想，这个苹果为什么会落下来呢?风平浪静的。
“那一定是因为它熟透了。”牛顿自言自语地说，“可是，为什么苹果只向地上落，不向天上飞呢?”
一会儿，牛顿的眼里闪出奇异的光芒。长时期以来他想了又想的问题，终于找到了解决的线索。“苹果落到地上，那是因为地球吸引它。地球对苹果的引力，就是在高山上，也不减弱。这样看来，这种地球引力没有不到达月球的道理呀!”于是，牛顿就在笔记本上，画了下边这样的图:
在地面高处，取一个P点，从这里把一块石头轻轻地放开，这样石头就到正下方A点上。这就是作用于石头的地球引力——重力的缘故。那么，如果不是轻轻松手，而是向水平方向抛出去，石头就落到B点、C点或更远，运行轨迹是一条曲线(抛物线)，而且速度越大落地越远，这是因为石头向水平方向飞行的同时，又被地球吸引着，所以飞过的路线就成了曲线。如果抛出的速度非常快的话，它就不落到地面上而是继续沿着D、E、F各点的轨道，围绕着地球滴溜滴溜地转起来了!
想着想着，牛顿开始联想到月球:“月球之所以能以一定距离围绕地球转动，就是因为月球总是向地球方向下落的缘故。就像苹果落地一样，月球也是向着地球下落。”
“啊!明白了。”牛顿就像在大海里迷失方向时找到了罗盘针一样，高兴得不得了。他情不自禁地大声喊出来。
太阳落山了，周围变得模糊不清了。牛顿方才想起回家。
晚上，根据笔记本的记录，牛顿开始计算起来，得出地球引力的减弱是与从地球中心到月球的距离的平方成反比的。这就叫做“平方反比律”，后来他又联想到太阳、行星，终于计算出引力同距离的平方成反比。事实上，这时牛顿已经发现了万有引力定律，但本着严谨的科学态度，他没有立即发表这一重大发现。
13年后，牛顿又使用了准确的资料，重新应用伽利略关于运动的定律和开普勒关于天体运行的定律，进行严格的计算，从而证明了万有引力定律，即任何两物体之间都有相互吸引力，力的大小跟它们的质量成正比，跟它们之间距离的平方成反比。
