我們在上一集中講了現代科學奠基人伽利略，盡管伽利略在科學及物理學領域中的地位崇高無比，但是與牛頓比起來，還是稍微遜色了一點。

當然，将科學巨人拿來做比較，意義并不大。我們之所以對比一下伽利略和牛頓，是因為牛頓的出現，徹底改變了科學發展的進程，甚至可以說徹底改變了人類發展的進程。為什麼這麼說呢？因為牛頓建立了第一個科學體系，也就是牛頓機械宇宙體系，這個體系的重要組成部分就是牛頓力學。在本堂課中，我們主要講一下牛頓力學的基礎，也就是牛頓三大定律。

伽利略出生于1564年，卒于1642年，享年78歲。伽利略去世後的第二年，牛頓出生了。伽利略和牛頓在那個時代都算是長壽的，牛頓比伽利略要更加長壽一點，活了84歲。與伽利略不一樣的是，牛頓一生活得很滋潤，因為那時教會已經不怎麼插手科學領域的事了。

牛頓不僅是個科學天才，還是一個情商極高的人，因此一生順風順水、風光無限。因為科學發現，他成為皇家學會會長，受封爵士。後來他還當上了造币廠廠長（相當于現在的央行行長）。

牛頓在很年輕的時候就做出一生中最多、最重要的發現。據說，在牛頓22歲的時候，也就是1665年，倫敦發生了大瘟疫，牛頓為了躲避大瘟疫回到老家，就在此後的短短兩年内，他發現了微積分，提出了牛頓三大定律，研究了光學，甚至已經着手研究萬有引力了。

因此，在牛頓去世後，他被葬在威斯敏斯特聖彼得大教堂，他的墓碑上镌刻着詩人亞曆山大·波普為他寫的墓志銘：“自然與自然的定律，都隐藏在黑暗之中；上帝說：‘讓牛頓來吧！’于是，一切變為光明。”

伏爾泰說：“牛頓是最偉大的人，因為他用真理的力量統治我們的頭腦，而不是用武力奴役我們。”

現在，我們來說說牛頓三大定律。這三條定律就是關于物體運動的動力學定律。

牛頓第一定律是慣性定律，我們在上堂課中已經說了，其實這是伽利略發現的。慣性定律也定義了慣性系——在一切慣性系中，不受力作用的任何物體保持靜止或做勻速運動。

有人開玩笑地将牛頓第二定律簡稱為“牛二”。牛頓第二定律是指一個物體運動的加速度與作用在其上的合力成正比，與其質量成反比。也就是說，作用在物體上的力越大，加速度就越大；但是，質量越大，加速度越小。

當然，還少不了牛頓第三定律，即作用力與反作用力大小相等但方向相反。

接下來，我們說說牛頓定律的具體内涵，第一定律在上堂課中已經談了，所以我們從“牛二”開始。有人會問，關于“牛二”，是不是啥也沒有說啊？因為力是怎麼定義的還沒有說呢。的确，如果我們不能給出力的獨立定義，那麼就可以說“牛二”什麼也沒有說。但是，伽利略對重力的研究可以幫助我們來定義力：一個物體在地球上受到的重力等于其質量乘以重力加速度。這樣，慣性定律就可以拿來定義其他力了：任何别的力，都可以拿來平衡某個物體受到的重力，如果這個力恰好使某個物體保持靜止，那麼這個力的大小就等于這個物體受到的重力，當然，其方向與重力相反。

這樣我們就有了獨立測量一個力的大小的方法。測量了力的大小，然後将它作用在一個物體上，這時我們就可以應用牛頓第二定律了。“牛二”公式中的質量因素也很重要，如果我們将同樣大小的力作用在質量小一半的物體上，那麼它獲得的加速度就變成原來的兩倍。牛頓第三定律也很重要，我們先看看它的應用。假設你的體重比我的輕一半，現在，我們互相推對方，我受到了你給我的推力，同時，你也受到了我給你的推力。因為推力大小相等、方向相反，我們就會向相反的方向加速，你的加速度是我的加速度的兩倍。最後，你獲得的速度也是我的速度的兩倍，因為這個力在你身上作用的時間和在我身上作用的時間一樣長。

同樣，如果你用手擊打一個物體，這個物體固然受到了你的力，但它以同樣大小的力反擊在你的手上。這樣做真是劃不來。我們在拉車的時候，車子受到了我們的力，我們也受到了車子的反向力。我們給車子的力抵消了車子輪胎在地面上受到的摩擦力，所以車子動了。既然我們也受到車子的力了，為什麼我們還能向前走？因為我們的腿在蹬地面，地面給了我們一個向前的摩擦力。如果我們站在冰面上，光滑的冰面提供的摩擦力幾乎等于零，那我們就很難拉動車子了。這就是牛頓第三定律的簡單應用。

回到我們互相推的例子，假如你的體重是我的一半，我們前面說了，最後你的速度是我的兩倍。現在，有一樣東西是相等的，就是我的質量乘以我的速度等于你的質量乘以你的速度。當然，因為速度有方向性，質量乘以速度也有方向，這個新的量不是别的，就是動量。你看，我推你，你推我，最後我們的動量大小相等、方向相反。因此，我們的總動量加起來應該等于零，也就是說，将我倆作為一個整體，在我倆互相推之前和之後，總動量為零。這是牛頓第三定律的重要動力學内涵——動量守恒。

發射火箭其實就是利用了動量守恒定律，被噴射出來的燃料的動量抵消了火箭向上的動量，燃料的動量在沖向地面的時候，火箭也一直在上升。

其實，很多靜力學問題可以用牛頓第一定律和牛頓第三定律來解決，當一個物體保持靜止時，它受到的總的力等于零，然後，我們再利用牛頓第三定律分析物體各個部分受到的不同的力。

我要強調一下，牛頓三大定律針對的其實是質點，也就是無限小的點，為了簡單起見，我們前文舉例用的是物體而不是質點。

關于牛頓的故事有很多，有些是真的，有些隻是傳說。

大家喜歡談牛頓的童年。牛頓的童年沒有一般人過得那麼幸福和快樂，可以說是非常悲慘的了。牛頓出生前3個月，他的父親就去世了；3歲那年，他的母親再婚，他就跟着外婆生活；直到10歲，他的繼父過世後，母親才回到他的身邊；16歲上中學那年，他的母親卻想讓他辍學，幫家裡幹農活。幸好校長特别愛才，跑到牛頓家裡勸說：“像牛頓這麼聰明的孩子，不讀書實在太可惜！”當時牛頓的舅舅也表示會在經濟上幫忙他，這個天才少年才得以重返校園。18歲那年，牛頓考上了劍橋大學三一學院，這可是當時全世界最有名的學院之一。

牛頓

關于牛頓的童年及求學中的部分故事确實是真實的。至于牛頓因工作認真而忘記吃飯、因為蘋果砸到他的頭上而發現萬有引力等故事，恐怕多數是傳說而已。

除了關于牛頓成功的故事，也有一些對牛頓不利的故事。比如，為了與比他年紀稍長的胡克争奪萬有引力的發現權，他對胡克進行了無情的打擊，他在一篇文章裡暗戳戳地嘲笑胡克，說自己獲得成功是因為站在巨人的肩膀上，所以才顯得比胡克高。因為胡克是個矮子。

但牛頓的“獲得成功是因為站在巨人的肩膀上”這句話本身沒有錯，他獲得成功确實是因為他站在了伽利略和開普勒等巨人的肩膀上。但要站在巨人的肩膀上也不容易，第一，你得認出誰是巨人；第二，你得有本事爬到巨人肩膀上，他們那麼高，爬上去并不容易。

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