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内容提要
近代中期是人类历史上的一个伟大时代，随着资产阶级革命在西方各国
取得的胜利、工业革命的风暴，科学技术也得到了迅速发展。本书介绍了经
典力学、物理学、天文学、数学、化学、地质学、生物学等基础科学在西方
的发展情况，介绍了各学科中的代表人物及其成就，同时也介绍了以蒸汽动
力技术为主体的技术科学的发展情况，说明了这时期科学技术的发展对于后
世科学技术发展的影响。对于这一时期中国科学技术的发展以及落后的原
因，本书也进行了介绍和探讨。
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一、概 述
世界近代中期，在西方指的是1640年英国资产阶级革命至1812年维也
纳体系的建立时期，在中国指的是鸦片战争以前的清朝。
从15世纪下半叶到18世纪末，是人类历史上一个极其伟大的时代。在
这个时期，资本主义成长壮大并取得了胜利，新兴资产阶级为取得自己的统
治地位进行了不屈不挠的斗争。在这场斗争中，首先是以新文化运动来反对
封建主义的意识形态，其中包括用科学的力量反对宗教。14世纪至16世纪
末的文艺复兴就是新兴的资产阶级反对神权统治、宗法制度、禁欲主义和蒙
昧主义的一场激烈的、深刻的思想较量，它对于解放人们的思想具有极为重
要的意义，也为自然科学的进步鸣锣开道，扫除障碍。近代自然科学正是在
这场斗争中为自己争得了独立的地位，并有了自己独立的实践基础——科学
实验，从此以后，自然科学就取得了系统的、日益迅速的发展，进入了近代
自然科学蓬勃发展的新时期。
英国资产阶级革命扫荡了科学技术发展道路上的障碍，同时，英国的大
学教育、科学社团以及英国皇家学会等对英国近代科学的发展也起了很大作
用，因此，这一时期的早期以英国的科学技术发展最为兴隆，并带动了整个
西方科学技术的发展。以后，法国的近代科学也开始发展起来，随着科学社
团及巴黎科学院的成立，到18世纪中纪，法国近代科学出现了繁荣的局面，
而源于近代科学的法国启蒙运动和哲学思潮又推动了法国的科学进程，法国
大革命之后的国民政府和拿破仑的统治又为科学的发展提供了一个轻松的环
境，使得法国在实验科学、技术科学和应用科学方面在18世纪末与19世纪
初成为处于领先地位的国家。德国近代科学虽说发展较晚，但也产生了莱布
尼茨、康德、拉格朗日等一大批具有成就的科学家，同时兴起的自然哲学思
潮也对德国18世纪末及19世纪科学技术的发展产生了极其重大的影响。即
使是在殖民地的北美，也出现了像富兰克林这样成就卓著的科学家。这一时
期的中国虽有近代科学的萌芽，但却由于专制统治以及闭关政策，使得中国
科学技术仍然停留在古代科学技术发展的老路上，并没有突破中国传统科学
结构的局限，因此在科学技术的发展过程中被远远地抛在了后面。
牛顿力学的形成是这一时期所取得的最重大的科学成就，它是人类认识
自然历史上的第一次大飞跃和理论大综合，并对以后科学的发展产生了极为
重大的影响。
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二、牛顿和经典力学体系的建立
1.牛顿的青少年时代
牛顿（1642～1727年），出生在英国中东部林肯郡的格兰瑟姆镇附近的
沃尔索普小村庄，在他出生的前两个月，他的父亲去世，牛顿成为一个遗腹
子。当牛顿还不满两岁时，他的母亲嫁给一个牧师，牛顿只能靠他的外祖母
和舅舅抚养。牛顿刚满六岁时，他的外祖母即把他送进镇公立小学，12岁时，
牛顿考入镇文科中学。
在英国资产阶级革命以后，中小学教育也有了相应的改革，已经开始进
行现代科学的启蒙教育，这些科学启蒙教育主要包括手工制作和一些初步实
验。少年牛顿开始表现出对机械发明有明显的兴趣，他造了一架水钟、一个
风磨，由坐在里面的人驱动着车子和其他玩具。这种科学的启蒙教育，显然
使牛顿受到了最初的科学熏陶。
对于英国近代科学史来说，17世纪60年代是值得纪念的年代。尽管由
于斯图亚特王朝的复辟，暴风骤雨式的资产阶级大革命已经成为过去，但是，
科学本身并没有停止前进的步伐。在60年代初，英国近代科学史上出现了两
件值得纪念的大事，其一，在格雷山姆学院的基础上，英国皇家学会于1660
年筹建，1662年正式创立。从此，英国出现了一个富有生命力的新的科学团
体。其二，青年牛顿带着成为占星术士的梦想，于1661年6月考入剑桥大学
三一学院。
剑桥大学位于伦敦北部远郊的剑桥镇。早在1209年，人们就在这里创建
了这所大学。剑桥大学虽然比牛津大学建校要晚，但自文艺复兴运动兴起以
后，逐渐以数学和自然科学的教学与研究著称。特别是英国数学家巴罗
（1630～1677年）执教于剑桥大学之后，进一步加强了剑桥大学的这种发展
趋向。
牛顿进入剑桥大学后，因家境困难，所以只得当工作减费生，即边学习、
边打杂，同时还得侍候富家子弟，这样可减收学费，而且还可以免费供应午
餐。正是在这种困顿的环境中，牛顿开始了他的大学生涯。
从一个农民的遗腹子到一个剑桥大学的减费生，这些家庭的不幸与社会
的不平虽然在牛顿的青少年时代投下了阴影，但也砥砺了他的求知欲与探索
精神。这种欲望与精神无疑是使牛顿后来成为科学巨人的重要因素。
在剑桥大学学习初期，牛顿开始广泛地阅读和研究哥白尼、刻卜勒、伽
利略、笛卡尔、费尔玛、华里斯和培根等人的天文学、力学、光学、数学和
哲学著作。特别是刻卜勒的天文学与光学著作，笛卡尔的数学与哲学著作，
对青年时代的牛顿产生了深刻的影响。
1664年，牛顿大学毕业，被选拔为三一学院的研究生。同年，牛顿又经
过考试被选为巴罗教授的助手。但是从第二年年初开始，一场大瘟疫席卷英
国。1665年夏，仅伦敦一地就有3万人死于瘟疫。人们纷纷逃离城市，躲到
乡下。消息传到剑桥，师生一逃而空，牛顿也因此回到老家。
回到乡村之后，牛顿开始进行多学科的研究，他一面阅读和研究包括刻
卜勒的《论火星的运动》在内的许多科学名著，一面进行潮汐、落体、透镜
等现象的观察。与此同时，他还在天文学和数学的研究中，着重研究了当时
人们极为关注的瞬时速度问题和曲线的切线问题。从1665年8月到1667年
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3月，在乡下不到两年的时间里，牛顿孕育了一系列重大科学发现的萌芽：
万有引力、光的色散现象、微积分。虽然这些科学思想的萌芽直到后来才完
全成熟，但他们的种子正是在这一时期萌发的。也正是从这里开始，青年牛
顿正式踏上了他的伟大科学航程。而早期近代科学的面貌，也即将由此而焕
然一新。
1667年3月，牛顿回到剑桥，获硕士学位，同年即被选为三一学院的研
究员。在巴罗教授之后，1669年，年仅28岁的牛顿成为剑桥卢卡斯讲座（剑
桥大学三一学院1663年创办的专以自然科学为基本内容的讲座，巴罗为首任
数学教授）的第二任首席数学教授。从1670年起，牛顿正式开课，根据剑桥
大学对卢卡斯讲座的教学内容的规定，牛顿主讲的教学内容是光学、数学和
力学。牛顿并不善于教学，一方面可能因为他讲授的内容过于高深，而学生
们首要关心的是那些能很快给自己带来功利的课程；另一方面也可能因为他
的教学不甚生动，据说牛顿曾为此在教学内容的通俗化和教学方法的生动性
方面下过功夫，但收效甚微。同时，牛顿曾以做教学广告的方法来招揽学生，
但来听他课的学生仍是甚少。虽然他并不是成功的教员，但在解决疑难问题
方面，却远远超过别人。
2.万有引力定律
万有引力定律的发现
牛顿1666年初回故乡逃避瘟疫，在研究刻卜勒的行星运动三定律的基础
上，着重研究过刻卜勒的天体引力思想，使牛顿产生了万有引力思想的最初
萌芽。
刻卜勒的行星运动三定律对行星环绕太阳的运行作了定性与定量的描
述。正是在行星运动三定律的论证中，刻卜勒继承和发展了吉尔伯特的以磁
力为基础的天体引力理论。刻卜勒的这一引力理论最初见于他在1609年发表
的《论火星的运动》一书中，后来又集中地反映在他于1619年发现的行星运
动第三定律及其有关论述中。可是，刻卜勒行星运动三定律只能说明行星在
怎样运动，而不能说明行星为什么这样运动。这样，进一步探索天体运动的
力学规律，特别是进一步探索天体运动的力学原因也就成为摆在数理天文学
家面前的新课题。刻卜勒提出了这一问题，但他未能最终解决这一问题。
在研究刻卜勒的行星运动三定律的同时，牛顿也研究了伽利略的惯性原
理和落体定律。伽利略的惯性原理和落体定律，可以说是最早用原理和公式
描述出来的地上物体的运动规律。在研究伽利略的运动力学理论之后，牛顿
感到，伽利略与刻卜勒一样，虽然说明了地上的物体在怎样运动，而不能说
明它们为什么这样运动。因此，进一步探索地面物体运动的力学原因，也是
当时的力学家所面临的新课题。伽利略提出了这一问题，但他未能最终解决
这一问题。
在研究刻卜勒的行星运动三定律与伽利略的惯性原理和落体定律的基础
上，牛顿试图寻求天上的天体运动与地面的物体运动的统一的力学原因。为
此，牛顿对天体的力学现象与地面的力学现象进行了广泛的观察与思考。据
说苹果落地的现象曾给他以思考这一问题的灵感，这个故事是一个未经证实
的故事：据说牛顿正坐在一棵苹果树下思考地球的引力问题，这时刚好有个
苹果从树上掉下来，这一现象使牛顿立即想到了万有引力。这则轶事是伏尔
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泰 （1694～1778年）在1730年访问英国时听说的，此后这则轶事就带着传
说的色彩传遍世界。但真正把牛顿引向万有引力定律的，却是刻卜勒的天体
力学与伽利略的地面力学在相互综合过程中所产生的理论思维力量。在试图
从刻卜勒的天体力学与伽利略的地面力学中寻求世界的统一的力学原因时，
牛顿曾设想了这样一个理想实验，站在一个很高的塔顶上，向与地面平行的
方向抛射出一块石子，那么这块石子必然呈抛物线下落，而下落的原因，正
是出于地球的引力。如果塔顶无限高，石子被抛射的速度愈快，它就射得愈
远。这时石子下落的抛物线曲率也就会愈来愈接近地球的曲率。当抛射速度
达到一定的速度，石子就会像月球那样环绕地球运行。
牛顿的这一理想实验，伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的
对话》中也曾设想过。也许牛顿正是从伽利略的这一理想实验中得到了最初
的启发。所不同的是，伽利略局限于地面物体的力学现象，未能把地球的引
力引向月球的运行轨道及其力学原因，而牛顿在这一相同的理想实验中，却
把地球的引力从地面物体的力学现象引伸到天上物体的力学现象，认识到月
球环绕地球运行的作用力，正是来源于地球的引力，“如果没有这样一种力
的作用，月球就不能保持在它的轨道上运动。如果这种力太小，就不足以使
月球偏离它的直线运动，如果这种力太大，就会使它偏离太大而把它从轨道
上拉下而落向地球。这种力必须大小相当，而数学家的任务就是要找出这种
正好能使一个物体在一定轨道上以一定速度运行的力”。在认识到月球环绕
地球运行的作用力来源于地球的引力之后，牛顿随即想到，行星环绕太阳运
行的作用力，同样来源于太阳的引力。
能把力学视野从地面延伸到天上，并随之寻求地面物体运动与天上物体
的统一力学原因，这正是牛顿高于伽利略的地方。
牛顿的理想实验虽然只是一种设想中的理想实验，但它却是立足于实实
在在的地面和天体的力学现象基础之上的。而这些力学现象又根基于伽利略
的地面力学与刻卜勒的天体力学成果之中。正是在综合刻卜勒与伽利略两人
的力学成果的基础上，终于使牛顿在1666年产生了万有引力思想的萌芽。
有了万有引力思想的萌芽之后，牛顿即在同年着手进行力学计算，以验
证他的引力理论。他根据刻卜勒的行星运动第三定律，初步计算出了行星所
1
以能在轨道上绕日运动的引力定律，即引力的平方反比定律：F＝ 。
2
r
这一定律说明，“使行星保持在它们轨道的力，必定要和它们与它们绕之而
1
运行的中心之间的距离的平方成反比例”。
为了证实引力平方反比定律的正确性，牛顿以月球绕地球的运行为例进
行了计算。当时，月球的大小、速度、轨道半径已被观测出来。这样就可以
先计算出月球在轨道上的向心力。然后，再根据引力的平方反比定律计算出