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牛顿开始步入研究阶段。
就在这年 6 月，伦敦流行鼠疫，一旦传染上这种可怕的疾病后果是可想
而知的，剑桥大学决定停课两年，牛顿只好回到了家乡伊耳索浦。但这两年
是不平凡的两年，是近代科学史上极光辉的两年，因为牛顿后来发表的三大
发现，都是在这两年里萌生的。
牛顿的三大发现是：微积分法、白色光的组成、万有引力定律。
微积分，是微分和积分的合称。微分描述物体运动的局部性质，积分描
述物质运动的整体性质。例如，在物质做直线运动时，由运动规律求某一瞬
间的运动速度的方法，叫做微分法，简称微分；由某一瞬间的运动速度求物
体运动的全部路程的方法，叫做积分法，简称积分。微积分的出现，是变量
数学的开端，它标志着古老的数学进入崭新的变量阶段。牛顿把他的微积分
论文送给巴罗教授，请他指教。巴罗看后大加赞赏。但可惜的是，这篇论文
在巴罗的抽屉里压了长达 40 年之久。它的公布是在 40 年之后牛顿的著作《光
学》的附录中出现的。
在这期间，德国数学家莱布尼兹宣布发现了微积分，因此后来发生了究
竟谁先创立微积分的问题。经过调查，微积分是他们两人各自单独在前人成
就的基础上创立的。
牛顿从学生时代起对望远镜就很感兴趣，他想改进望远镜的性能。牛顿
在实验室中，发现一个有趣的现象。一次，牛顿得到一块三棱镜，把它放在
一个很暗的房间里，并在房间的窗户上挖开一个小小的圆孔，光线可以从小
孔中射进来。从小孔中射进来的阳光穿过棱镜后，落到隔板上，形成的不是
一个圆形的圆光点，而是一条光带，这光带不是白色的，而是像天空的彩虹
那样分 7 种颜色（这条多颜色的光带叫做光谱），赤色最近，紫色最远。牛
顿又在隔板上钻个孔，只取一种颜色的光束，再通过棱镜照射到另外一块隔
板上，这时牛顿发现，光虽然发生了折射，但颜色却与前面相同，无法再分
了。牛顿又在第一块棱镜的后面再放一块棱镜，中间不放置隔板，这样由第
一棱镜分离出来的光经过第二块棱镜后又合成为原来的白光。根据这些实
验，牛顿得出：太阳的白光是由 7 种颜色的光合成的，各种光色无法再分；
不同的光有不同的折射率，其中赤色最小，紫色最大。这是一个非常著名的
棱镜分光实验，牛顿自己也称这个实验是“最重要的实验”。
牛顿又是怎样发现万有引力定律的呢？
有关引力，在历史上始终是个谜。天体运动是引力的作用吗？那么引力
又是什么呢？牛顿一直在思考这个问题。有一次，牛顿坐在苹果树下苦思冥
想时，忽然扑通一声，一个苹果落在了牛顿的脚下。苹果为什么垂直落地？
为什么不向旁、不向上而总是向着地面落下呢？牛顿觉得这一定是地球吸引
它的缘故。牛顿又进行了联想：一个人站在山崖上，把一块石头轻轻地放开，
石头就会照直落到地上；如果他用力把石头抛向远处，石头就会向前跑一段
再画一个圆弧落到地上；如果他用的力更大，石头就会落得更远；若力足够
大的话，石头就会不再落到地面上，而是围绕地球旋转起来；如果地球没有
引力，这石头就会朝着它抛出的方向照直飞去。苹果、石头、月球不都是一
样吗？月球围绕地球转，无疑是地球的吸引力像一条看不见的绳索在拉着月
球。若果真如此，那地球以及其他一切行星也肯定都被太阳吸引着。那么能
否认为，这种引力是作用于任何两个物体之间呢？这是不是物质的普遍性
呢？牛顿进行了精确的计算，证明了地球吸引苹果的力和地球使月球围绕自
己转动的力，以及太阳使行星围绕自己转动的力，都是相同的。就这样，牛
顿完成了人类认识自然的历史中的第一次理论大综合，把人们过去一向认为
截然无关的地球上物体的运动与宇宙中的天体运动，概括在一个严密的理论
之中。由于牛顿引力定律证明，不论天上地下，任何两物体之间都具有这种
引力，所以人们把它叫做万有引力。
牛顿成功了，但他没有把这一重大发现发表出来：直到 20 年后在天文学
家哈雷的帮助下，他才把这一发现写成《自然哲学的数学原理》一书，公开
发表，此书被称为整个科技史上“最伟大的杰作”。
《自然哲学的数学原理》由 4 部分组成，阐述了 4 条力学定律。第一定
律是惯性定律，即“静止的物体，只要不受外力作用，它永远是静止的；运
动着的物体，永远按着它运动的方向，以均匀速度在一条直线上运动着。”
它实际上是伽利略惯性定律的推广和扩大。第二定律是落体定律，即“物体
受力时产生的加速度的大小，和它所受的外力的大小成正比，和物体本身的
质量成反比，加速度的方向与力的方向相同。”这也是伽利略落体定律的推
广和扩大。第三定律是作用与反作用定律，即“一个物体对另一个物体施加
力的同时，承受力的物体也以同样的力，反作用于对它施加力的前一个物
体。”这则是开普勒“月球被地球牵引着；相反地，月球也吸引着地球的海
水”这一思想的延伸。第四定律是万有引力定律，即引力与距离成反比定律。
它实际上是开普勒引力思想的延伸。这些定律都被写入了所有国家的高中物
理课本中。
牛顿在他 44 岁时完成了这部巨作，从此以后，牛顿的名声日益扩大。1696
年，他就任英国造币局局长。从 1703 年开始一直担任皇家学会会长，直到去
世，长达 24 年之久。1727 年 2 月 20 日，80 岁高龄的牛顿因膀胱结石逝世。
一颗科学巨星陨落了。
在牛顿逝世的前几天，他躺在病床上，赠给朋友们如下的遗言：“如果
我看到的比笛卡尔要远一点儿，那是因为我站在了巨人的肩膀上。”这赠言
不仅表现了牛顿伟大的谦虚精神，而且道出了牛顿成功的一大奥秘：善于学
习和继承前人的科研遗产，在继承的基础上加以创新。
时空巨人——爱因斯坦
爱因斯坦的一生，是充满戏剧性的一生，当他还活在人世间的时候，他
就已经被认为是人类历史上最富有创造性才智的人。
然而，面对人类社会中一些极其可怕的事件的侵袭，他不得不自叹无力
回天，他只能承认自己是一位孤独的旅客，他的心灵同宇宙一道遨游。
他的名声如雷灌耳，这使得他所发出的呼声能发生重大的影响，他以此
来支持诸如和平主义、自由主义和犹太复国主义之类的事业。
他的著名的能量一质量方程假设（说一个粒子可以转化为巨量的能），
由于制造出破坏空前强大的武器原子弹和氢弹，而得到惊心动魄的证实，这
是命运对他的极大的嘲弄。
1879 年 3 月 14 日，这位大物理学家，出生在德国的一个犹太人家庭。
他的父亲和叔叔一起开了一家制造电器设备的小工厂，母亲是个颇有造
诣的钢琴家。
小时候的爱因斯坦一点也看不出来有什么天才，到 3 岁的时候，还不会
讲话。6 岁上学，在学校他的成绩非常差，一上课就是被批评的对象，老师
还说他永远也不会有什么大出息。大家一致认为他是一个天生的笨蛋。
后来，小爱因斯坦听妈妈的话，开始拉小提琴，在妈妈的精心指导下，
他后来成了有造诣的小提琴家，尽管他没有成为职业演奏家，但那把心爱的
小提琴，整整陪伴了他一生。
爱因斯坦在 12 岁的时候，就已经决定献身于解决“那广漠无垠的宇宙”
之谜。15 岁那一年，由于历史、地理和语言等都没有考及格，也因为他的无
礼态度破坏了秩序和纪律，他被学校开除。
由于没有拿到毕业证书，他进不了大学。17 岁的时候，在一位亲戚的资
助下，他才考进了苏黎世工业专门学校。
在这所学校里，他把自己全部的时间和精力都用于物理实验，研究理论
物理学和哲学问题。即使是学习物理学，他也是走自己的路，进行自己的思
考，而从不盲从。这为他日后从事理论物理研究打下了坚实的基础。
可是，对于爱因斯坦来说，残酷的现实却是毕业就等于失业，正像他自
己所说的那样：“突然被所有的人遗弃了，手足无措地面临着人生。”没有
人愿意给他一份工作做。
为了能够活下去，他艰苦奔波忙碌着，代课、给人家做家教……。贫穷
只能使人饿死，却不能把人吓死，他没有中断自己心爱的物理学研究活动。
后来，他想了很多办法，终于在伯尔尼瑞士专利局当了一名审查员。生
活这才开始有了保障。1903 年，爱因斯坦同他在大学时的恋人米列瓦·玛丽
琦结了婚。
婚礼举行完了以后，新婚夫妇进不了新房，只能在房门口站着，因为新
郎忘记带钥匙了。那时，虽然日子过得很清苦，有时一连几个星期都吃不上
一顿荤菜，但爱因斯坦觉得那是自己一生中最幸福最有收获的岁月。
1905 年初，爱因斯坦在《物理学》杂志上连续发表了 5 篇论文，这些论
文中所提出来的观点彻底改变了人类的宇宙观。
爱因斯坦始终没有停止自己对事业的执着追求，每天下班一回到自己住
在顶楼的家，就立即坐在桌边，面前放着一堆乱纸，他右手拿着一本书，左
手耐心地摇着一辆童车，那时，他们的儿子已经来到这个令人欢喜令人忧的
世界了。
爱因斯坦当时作为一个“小人物”，其日常生活的琐碎平庸，同他生活
中的另外一方面，即科学成就的重要与伟大，恰好形成鲜明的对照，而正是
这种强烈的反差，才使他那个小人物的生活显得越发重要。
这位天才平谈无奇的生活使他成了一个传奇式的人物。
爱因斯坦的狭义相对论从根本上改变了作为人类思考基本要素的时间和
空间的陈旧概念。他认为，如果对于一切参照系，光速是不变的，而且一切
自然规律都是相同的，那么可以发现，时间和空间都是相对于观察者的。
狭义相对论起源于爱因斯坦 16 岁时写的一篇论文，即《关于磁场中的以
太的研究现状》。
“以太”这个源于希腊文，即空气的上层之意的名词，是亚里士多德所
设想的与构成地球万物的水、土、火、气四元素不同的构成神灵世界的一种
轻元素。
到 19 世纪末期，万有引力被发现以后，复活了亚理士多德关于“以太”
的设想，说“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。从此，“以太”被引入
物理学，而且被说成是“光波”和电磁波的传播媒介。
爱因斯坦研究了光在“以太”中的传播问题，大胆地否定了“以太”的
存在。
爱因斯坦认为关于时间是不断流动延续、空间是广阔无边、物体的存在
与运动对此一点影响也没有的观点是毫无道理的，这就从根本上动摇了牛顿
的信仰。
最明显的例证是在物体运动速度充分大时，时钟会显示变慢，物体会沿
运动方向缩小尺寸。在过去。牛顿的万有引力定律对于计算围绕太阳公转的
行星，如水星、金星、地球、火星等的运行轨道及人造在球卫星的运动轨道
也卓有成效。
它甚至可以分秒不差地预报百余年后的地球上某处能够看到的日全食或
月全食的时间，许多人对这条万有引力定律奉若神明，把它讴歌成整个宇宙
的绝对真理。
但是相对论阐明了：牛顿的运动定律只有在物体运动速度远比光速低的
场合下才适用，万有引力定律也只有在强度弱的场所才成立。
就这样，相对论把这些定律从宇宙的绝对真理的宝座上拉了下来，证明
它们无非是相对真理而已。
对牛顿的经典物理学进行了全盘的否定之后，爱因斯坦提出了全新的时
间空间和运动概念，并经过复杂的数学推导和运算，最终导出了一系列重要
的狭义相对论结论。
当爱因斯坦发表狭义相对论的观点时，年仅 26 岁。一个年仅 26 岁的毛
头小伙子，竟然把支配物理科学 200 年之久的牛顿物理学大厦给彻底摧毁
了，整个世界为之哗然、愕然！
1912 年冬天，当第一场瑞雪普降人间的时候，大地白茫茫的一片好干
净，天与地之间一片澄明，人们纷纷来到雪地里堆雪人、打雪仗。
爱因斯坦踏着地上的积雪，口里哼着一曲古老的歌谣，又回到了苏黎世
（瑞士）联邦工业大学。从这时起，他有了一笔丰厚而稳定的收入，生活得
非常幸福美满，对自己的婚姻也觉得很满意。
然而好景不长。1914 年 4 月，爱因斯坦又把家搬到柏林，在那里，爱因
斯坦接受了普鲁士科学院的一个职位。那年夏天，他的妻子和两个儿子在瑞
士度假，由于一次大战的爆发而不能返回柏林。几年之后，这一被迫性的长
期的两地分居导致了离婚。
爱因斯坦厌恶战争，他曾利用自己的影响，号召人们同法西斯主义进行
坚决的斗争，并不惜代价去阻止罪恶的战争，“他必须准备坐牢，准备经济
破产，总之，他必须准备为他祖国文明幸福的利益而牺牲他个人的幸福。”
他还直言不讳地批判了德国军国主义。
但爱因斯坦始终没有忘记自己肩上所担负的神圣的使命，他更加全神贯
注地去完成他的广义相对论。
为了研究广义相对论，爱因斯坦可真是不要命了。多年以来没有规律的
生活，给他的身体造成了巨大的伤害，肝炎和胃病几乎要把他给摧垮了。
爱因斯坦以为自己得了癌症，于是，他更加自觉地抓紧一切时间，真是
达到了不吃饭不睡觉的地步。
为了研究，他把自己关在一间小阁楼里，把门从里面反锁着，不让任何
人打扰，只是到了黄昏时分，他才出去放放风。
两个星期之后，爱因斯坦面无血色地从小阁楼里走了出来，手里抱着一
叠厚厚的文稿，大声地向世界宣布：我研究出来了！就这样，广义相对论诞
生了。
1916 年，在《物理学》杂志上，他发表了《广义相对论的基础》一文。
诺贝尔物理奖金获得者马克斯·玻恩把广义相对论看做是“人类关于大
自然的思想的最伟大的成就，是哲学的深度、物理学的直觉和数学的技巧的
最惊人的结合”。
相对论不仅仅是一条物理学理论，引发了古老物理学的一场大地震，而
且改变了人们认识赖以生存的这个世界的思想观念和思维方式，对开创物理
学乃至整个人类文明的新纪元都产生了巨大的影响。
广义相对论是一种没有引力的新引力理论，是适用于所有参照系的物理
定律。
爱因斯坦从广义相对论出发，作了一些伟大的科学预言，有的已经被观
测所证实，比如水星近日星的进行，光谱线的引力红移和引力场中光的弯曲。
水星是我们所知道的离太阳最近的行星，它每绕太阳公转一周，离太阳
最近那一点的位置就有些改变，这种现象称做水星近日星的进动。爱因斯坦
根据广义相对论解释了当时人们不能圆满解释的这种现象。
爱因斯坦的第二个预言就是，引力场很强的恒星发出的光谱线向红端（波
长比较长的一端）推移。1924 年，在天文观测中证实了有引力红移现象。
爱因斯坦还根据广义相对论，提出了关于宇宙的有限无边模型，推动了
宇宙学的发展。
广义相对论的问世，使爱因斯坦这个名字迅速传遍了全世界。这使爱因
斯坦感到不可思议。
有一次，他的儿子问他：“爸爸，你怎么会出名呢？”他先是哈哈大笑，
然后作了一个形象、生动、传神的比喻：“儿子，你看，一个盲目的甲壳虫
在一个球面上爬行，它没有意识到它走过的路是弯的，而我能意识到。”
当爱因斯坦期待着罪恶的战争能早一点儿结束的时候，也越来越多地卷
入到和平运动中去，甚至有好几次到大街上去散发传单。
然而，爱因斯坦对人世间的一些事情却看得过于简单，1918 年，德意志
共和国宣告成立和实行停战，他就曾十分天真地认为，军国主义在德国已经
彻底根除了。
尽管 20 年代，对于爱因斯坦的相对论，人们持欢迎的态度，但也夹杂着
一些恶声攻击。而爱因斯坦却没有在乎别人是怎么说他的，他仍旧一如既往
地走着自己的路，去寻找电磁和引力之间的数学关系。
爱因斯坦认为，这是发现掌管从电子到行星宇宙万物运行的共同规律的
第一步。
爱因斯坦企图寻求一个方程或公式把物质和能的各种普遍性质都联系起
来，这就得到了所谓统一场论。
统一场论是爱因斯坦着力攀登的一座高峰，尽管这场攀登从一开始就注
定是要失败的。他除了选择的目标比别人高大外，在达到这个目标的征途中，
还大刀阔斧地使用了批判的武器。
然而，爱因斯坦没有能够完成统一场论，他没有能够把引力理论和电磁
理论统一起来。因为迅速发展着的量子理论揭示，�