牛顿与经典力学的建立
吕增建
焦作大学
摘要 牛顿一是一位伟大的物理学家、数学家和天文学家。他
在自然科学史上占有独特的地位。他的科学巨著《自然哲学的数学原理》的出版,
标志着经典力学体系的建立。经典力学理论体系的科学成就和科学的方法论启迪了
人类征服自然的无穷智慧, 对现代化科学技术发展和社会进步产生了极其深远的影
响。
关键词 牛顿经典力学贡献
牛顿是伟大的物理学家, 在他所处的时代, 哥白尼提出了日心说, 开普勒从第谷的观测
资料中总结了经验的行星三定律, 伽利略又给出了力、加速度等概念并发现了惯性定律和自
由落体定律。但是, 这些物理概念和物理规律是孤立的, 在逻辑上是各自独立的东西。牛顿
正是“ 站在这些巨人的肩上” 对行星及地面上的物体运动作了整体的考察和研究, 用数学方法, 使物理学成为能够表述因果性的一个完整体系。正如牛顿所说“ 自然哲学应称之为
“ 物理学,’ 的目的在于发现自然界的结构和作用, 并且尽可能地把它们归结为一些普遍的法则和一般的定律—用观察和实验来建立这些法则, 从而导出事物的原因和结果⋯ ⋯” 牛顿对力学的研究成果集中体现在他的科学巨著《自然哲学的数学原理》以下简称《原理》
中, 这本书是科学史上极为重要的伟大著作。牛顿在《原理》书中, 提出了力学的三大定律
和万有引力定律, 对宏观物体的运动给出了精确的描述, 总结了他自己的物理发现和哲学观
点。可以说在整个科学史上没有一部著作在创新或思维方面可以和该书相媲美, 在取得伟大
成就方面也是如此。它不仅标志了十六、十七世纪科学革命的顶点, 也是人类文明进步的划
时代标志, 它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果, 而且也是后来所有科
学著作和科学方法的楷模。该书的出版, 标志着经典力学体系的建立, 立即作为新科学的经
典著作而受到崇敬, 在科学发展史上建立了一个不朽的丰碑。
1.1划时代的巨著《原理》
《原理》一书分为两大部分, 在第一部分中, 牛顿首先明确了当时人们常常混淆的几个
重要概念, 如质量、惯性、外力、向心力、时间、空间等, 然后提出了运动的基本定理和定
律, 即牛顿力学三定律, 力的合成与分解、动量守恒定律、质心运动定律、相对性原理以及
力的等效原理等。这一部分虽然篇幅不大, 但它是全书的基础, 内容极为重要。第二部分是
这些定律的应用, 又分为三篇, 前两篇是用演绎推理的方法导出了万有引力定律, 确定了这
一定律的具体形式讨论了阻尼运动、流体动力学以及流体静力学等。在第三篇中, 用已发,
第期吕增建牛顿与经典力学的建立现的规律解释宇宙体系, 研究天体的观测资料, 其中包括行星围绕太阳的运动, 卫星围绕行星的运动, 地面上物体的降落运动和抛射运动, 慧星轨道的确定, 岁差以及潮汐现象与万有引力的符合程度等, 首次把地上的运动与天体运动用数学方式联系起来。
牛顿的时空观是绝对的, 它虽然不能正确揭示作为物质存在形式的空间和时间的统一
性, 不能正确揭示物质和运动的统一性, 但它正确反映了当速度远低于光速时的经典理论的
基础, 它是在当时实验条件下的科学总结, 是人类认识自然的一个里程碑。
1.2著名的牛顿三定律
在明确了这些概念, 建立了时空观以后, 牛顿又精辟地阐述了著名的运动三定律。
“ 定律工每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态, 除非有力加于其上
迫使它改变这种状态。”
“ 定律运动的改变和所加的动力成正比, 并且发生在所加的力的那个直线方向上。”
“ 定律每个作用总有一个相等的反作用和它相对抗, 或者说, 两物体彼此之间相互
作用永远相等, 并且各指其对方。”
牛顿三定律是在观察和实验的基础上发现的, 已被公认为宏观自然规律, 并成为数学
演绎的基础。第一定律是在伽利略、笛卡儿关于惯性定律的基础上建立起来的, 对当今的物
理学家来说, 它几乎自然地成了力学的基础。第二定律是在明确了质量概念以后, 对伽利略
动力学思想的发展, 它是运动三定律的核心。牛顿第一和第二定律是密切相关的。第一定律
表明一个不受干扰力的质点保持它的原有的运动状态第二定律则表明, 力只能引起原有运
动状态的改变。故这两个定律否定了伽利略—牛顿时代以前关于必须有力才能保持运动的
错误观点。第三定律的指出, 可以说是牛顿对力学发展的一个最具创造性的独到的贡献, 这
个定律的确立指出了每一个力都有其反作用力, 从而对力的概念作了完整的概括。这三个看
起来非常简单的物体运动定律作为一个整体是动力学的基础。这个基础, 从牛顿奠定之后又
成为近代动力学和天体力学研究的基本出发点, 因此得到物理学家, 甚至所有科学家和自然
哲学家的极大重视。
1.3万有引力定律
在引力问题上, 牛顿在观念上肯定了地球上的重力与天体间引力的同一性, 这在科学史上有特别重要的意义。他从建立总的力学体系出发, 排除次要因素, 发挥他高超的数学才能处理变量问题, 在前人已知引力平方反比定理的基础上, 把向心力与物体天体的质量联系起来,并利用了他的反作用定律, 从而推广为普适的万有引力定律峡。利用万有
引力理论, 人们发现了海王星、冥王星, 解释了今后几百年内极多的地面现象与天体现象, 例如哈雷慧星、地球的扁形等。定律经过了实践的严格检验, 得到了全世纪的公认。直到今天, 万有引力定律仍是最精密可靠的基本定律之一, 也是天体力学和宇宙航行计算的基础。
牛顿的功绩及经典力学的创立对现代科学发展的影响和启示
恩格斯在谈到牛顿的成就时说, 牛顿“ 借助于万有引力定律而创造了科学的天文学, 借助于对光学的分解而创造了科学的光学, 借助于二项式定理和无穷级数理论而创立了科学的数学, 借助于对力的本性认识而创造了科学的力学” 。对牛顿的科学贡献作了极高的评价。牛顿是一位伟大的物理学家、数学家和天文学家。他一生的重要贡献是集十六、十七世纪科学先驱们成果的大成。以《原理》出版为标志创立了一个完整的经典力学理论体系, 把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一理论中, 正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律, 从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础, 也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。此外, 为了说明天体现象和物理规律, 牛顿在数学上创建的微积分微积分之发明, 史学家也归功于莱布尼兹, 他们几乎同时创立了微积分学与微分方程, 为后来自然科学的发展提供了最为必要的思想工具和数学手段, 开创了数学发展的新纪元。同样, 牛顿在热学、光学、天文学等方面都做出了自己的卓越贡献。如同历史上一切伟大人物一样, 牛顿虽然对人类作出了巨大的贡献, 但他也不能不受时代的限制。他对那些暂时无法解释的自然现象归结为上帝的安排, 提出所谓“ 第一推动力” , 花费后半生的心血写出巧万字的神学著述。牛顿虽然有这样或那样的缺点或不足, 然而正是经典力学的建立表明了一个新时代和新科学文明的到来。
牛顿是近代理论物理学的创始人, 他所建立的力学理论体系不仅能说明已有的理论已经说明的现象, 更重要的是, 经典力学理论能预见到新的物理现象和物理事实, 并能以天文观测或实验证实它们的正确性。诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授在谈到物理学发展时曾指出物理学发展的动力有两个, 一个是实验, 另一个是物理学本身的结构。理论物理学是以实验为基础的, 没有实验, 没有对客观现象的分析和研究就不可能有物理学的发展。和经典力学体系相应的是, 牛顿建立了研究自然科学的新方法。他站在巨人的肩上以培根的实验归纳方法为基础, 又吸收了笛卡儿的数学演绎体系, 形成了他的比较全面的科学方法通过实验和观察即分析现象, 然后加以概括和总结为普遍法则即综合方法, 启开了实验科学的大门, 使作为实验科学的物理学形成了一个光辉的体系。这已成为人类认识事物本质的智能体现和重要的方法论之一, 三百年来为自然科学的繁荣立下了不朽功勋。
牛顿的经典力学体系和他的方法论使物理学在十八、十九世纪期间得以迅速发展, 并成为那时理论物理学的纲领或规范, 直到麦克斯韦电磁理论诞生, 人类对客观世界的认识扩展到电磁领域, 提出电磁场概念。这也可以认为是牛顿引力场理论的一次重大飞跃。量子力学和相对论的建立以及人们对自然过程的物理认识都可以看作是牛顿思想的一种系统的发展。
牛顿是位伟大的科学家。他在自然科学史上占有独特的地位, 给两个多世纪的自然科学的
内容和结构打上了自己的烙印。他的经典力学体系所奠定的物理基础和方法启迪了人们征服
自然的无穷智慧, 二百多年来受到人们的高度崇敬。他的科学成就和哲学观点不仅对当时的学术界和思想界起着重大推动作用, 而且还影响了的后来的一些社会变革, 对现代化科学发展和社会进步都产生了极其深刻的影响。
参考文献
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钱令希等中国大百科全书物理学 中国大百科全书出版社,
梅益等中国大百科全书物理学 中国大百科全书出版社,
经典与时代的批判
----------经典力学的成就与局限性
摘要：论述经典力学的成就，批判经典力学的绝对时间、绝对空间、引力本质、质量不变等观点，说明其应用范围及其与经典物理学的矛盾。
关键词：空间 时间 引力的本质 质量 速度 能量 矛盾
一、经典力学的成就
经典力学的理论体系是以牛顿运动三定律为基础的。牛顿系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作，得到了万有引力定律和牛顿运动三定律，于 1687年出版了《自然哲学数学原理》。这是牛顿的一部代表作，也是力学的一部经典著作。牛顿在这部书中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力等)和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，建立了经典力学的完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体的力学统一起来，这是物理学史上第一次大的综合。所以，牛顿的《自然哲学数学原理》的出版，标志着经典力学体系的建立。这对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响。牛顿力学的建立标志着近代理论自然科学的诞生，并成为其他各门自然科学的典范。
二、经典力学的局限性
创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。由于受到时代的局限，牛顿创立的经典力学的基本概念和基本原理存在着固有的局限性，主要表现在以下几个方面：
第一，引入了绝对时间、绝对空间等基本概念。按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。
莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。
量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。
因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
第二，牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终还是对它作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。
爱因斯坦的广义相对论对万有引力做出一种解释，就是时空本身是有弹性的，可以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在有质量的物体周围弯曲呢？爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没有说明引力的本质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的解释也没有说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观点也未得到肯定，因为，至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。
第三、 在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。
在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了。.爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使到原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加.
爱因斯坦从力学的观点出发，考虑两个球体的弹性碰撞，利用动量守恒定理和相对论速度相加定理能够导出著名的质速度公式
该式说明，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。运动物体速度为v时的质量为 ，式中m0为物体的静质量，当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。
第四，经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。
第五，经典物理学与经典力学的潜在矛盾
在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。
同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。
经典力学的基本概念和基本原理在热力学中也遇到了一些麻烦。1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理做保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
三、总结
牛顿用自己毕生的精力，建起了一座科学丰碑，他的研究推动了人类文明的进程，它在宏观物理学的各方面所取得的成就就是极其广泛和辉煌的。然而创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。由于受到时代的局限，牛顿在否定亚里士多德以来有关错误论述和含糊概念、创立牛顿力学的同时，也在其中隐含了自我否定的潜在因素。诚如恩格斯所说的：“凡在人类历史领域中是现实的，随着时间的推移，都会成为不合理的；因而按其本性来说已经是不合理的，一开始就包含着不合理性”。(《马克思恩格斯选集》第四卷)
由于牛顿尽力把他的体系表现为由经验必然性所决定的，特别是由于经典力学在实践上的巨大成就，足以阻碍后人去思考那些基本概念和基本原理的先验特征，以至于在相当长的时期内，无论谁也没有想到，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。事实上，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每—个历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。
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在天文学方面，牛顿可以称为近代伟大天文学家。他的杰出贡献是制作了反射式望远镜，反射式望远镜的制造成功，是天文学史上的一项重大革新。自伽利略发明第一架天文望远镜以来，人们对于宇宙的认识范围迅速扩展，但是当时流行的伽利略、开普勒等人发明和制造的折射望远镜，口径有限，制造大型望远镜不但困难，而且太庞大，同时折射望远镜的折射色差和球差都很大，这些大大限制了天文观测的范围。牛顿由于了解了白光的组成，因而于1668年设计制成了第一架反射式望远镜。这种望远镜能反射较广光谱范围的光而无色差，容易获得较大的口径，同时对球差也有校正。这样牛顿为现代大型天文望远镜的制造奠定了基础。
牛顿在天文学上的另一重要贡献是对行星的运动规律进行了全面考察，特别是对开普勒等人的学说进行过系统的研究。1686年他在给哈雷的信中说明了天体可以按照质点处理并证明了开普勒的行星运动的椭圆形轨道以及彗星的抛物线轨道。牛顿还进一步发展了自己的理论，认为行星都由于自转而使两极扁平赤道突出，还预言地球也是这样的球体。由于地球不是正球体，牛顿就指出，太阳和月球的引力摄动将不会通过地球中心，因此地轴将作一缓慢的圆锥运动，这便出现了二分点的岁差现象。对于潮汐现象，牛顿也作出了解释，他认为这是太阳和月球引力造成的。
英国物理学家、数学家、天文学家，经典物理学的创始人。1642年12月25日生于林肯夏郡沃斯索普村一个农民家庭。牛顿在出生前3个月父亲便去世了。3岁时母亲改嫁，他由外祖母抚养。1654年牛顿开始读小学，后在舅父的资助下进入格兰山姆镇皇家中学。1661年进入剑桥大学三一学院。1663年，三一学院创办自然科学讲座，牛顿成为了数学家伊萨克枣巴罗（Isaac Barrow, 1630-1677）教授的学生，1664年成为巴罗的助手。1665年获文学学士学位，1665年至1667年为躲避瘟疫回到家乡。1667年牛顿又回到剑桥大学，并被选为选修课的教研员。1668年3月任专修课教研员，同年获硕士学位。1669年巴罗辞去职务，以让牛顿晋升为数学教授。1670年牛顿又担任了卢卡斯讲座教授。1672年他被选为皇家学会会员，此后一直在剑桥大学工作。1689年被选为代表剑桥大学的国会议员。1696年他被任命为造币厂督办，迁居伦敦。1699年担任了造币厂厂长。1701年牛顿辞去剑桥大学教授职位，退出三一学院。1703年被选为皇家学会会长。1705年受封勋爵，成为贵族。1727年3月20日逝世于肯新顿村，终年85岁，终生未娶。
牛顿是科学发展史上举世闻名的巨人。他奠定了近代科学理论基础，是以正确的思维方法指导科学研究的代表。他是一位自强、勤奋的“天才”，为世界自然科学的发展作出了不可磨灭的贡献，成为近代科学的象征。他的科学贡献代表了当时新生资产阶级的利益，因为他为他的国家作出了巨大贡献，死后葬于威斯敏斯特教堂。
少年时期的牛顿，便显示出了出众的才能。他所精心制作的许多小机械，如风车、风筝、滴漏时钟、日圭仪等，引起了多人的注重和好评。牛顿的一生大部分时间从事科学实践、教学和理论的研究。从1672年他发表第一篇论文起，一生写出了多部极其著名的著作，如1686年写成，1687年出版的《自然哲学的数学原理》、1704年出版的《光学》等，在科学史上都具有重要价值。他在数学、物理学、天文学等多方面创造了惊人的奇迹。在数学方面，牛顿是微积分的创始人之一，同莱布尼兹一道名垂千古。1665年，牛顿在23岁时便发现了“二项式定理”和“流数法”，“流数法”就是现代所说的微分法。同时他还发现了流数法反演，即积分法。微积分的创立，是近代数学史上的一次重大变革，是真正的变量数学，为近代科学发展提供了最有效的工具，开辟了数学上的一个新纪元。
在物理学方面，牛顿取得了力学、热学、光学等多方面的巨大成就。牛顿是经典力学理论的开创者。他在伽利略等人工作的基础上，进行了深入研究，经过大量的实验，总结出了运动三定律，创立了经典力学体系。牛顿所研究的机械运动规律，首先是建立在绝对时空观基础之上的。绝对化的时间和绝对化的空间是指不受物体运动状态影响的时间和空间。在两个匀速运动状态下的观察者，对机械运动具有相同的测量结果。在高速运动状态下，这种时空观已不能采用，这时（运动速度与光速可以比拟），牛顿力学将被相对论力学所代替。在微观情况下，由于粒子的波动性已明显表现出来，牛顿力学将被量子力学所代替。牛顿在力学方面另一巨大贡献是在开普勒等人工作的基础上，发现了万有引力定律。牛顿认为：太阳吸引行星，行星吸引卫星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力。牛顿用微积分证明了，任何一曲线运动的质点，如果半径指向静止或匀速直线运动的点，且绕次点扫过与时间成正比的面积，则此质点必受指向该点的向心力的作用，如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比，则向心力与半径的平方成反比。牛顿还在力学发展中，首先确定了一系列的基本概念，如质量、动量、惯性和力等。经过牛顿的工作，力学已形成了严密、完整、系统的科学体系。
在热学方面，牛顿确立了冷却定律。他指出：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。
在光学方面，牛顿同样取得了巨大成果。牛顿是白光组成的最早发现者，1666年他利用三棱镜进行了著名的色散实验，发现白光可以分解为多种颜色的光谱带。同时他还作出了多色光合成白光的实验。牛顿对各色光的折射率进行了精确分析，说明了色散现象的本质。他指出，由于物质对不同颜色光得折射率和反射率不同，才造成了物体颜色的差别，从而揭开了颜色之谜。对于光的本性，牛顿提出了光的“微粒说”。他的观点一定程度上反映了光的本质。他认为，光是由微粒形成，并且走的是快速的直线运动路径。应用光的微粒说可以很好地解释光的反射和折射现象，但对于衍射现象却无能为力。微粒说是关于光的本性的重要理论之一，他同惠更斯的波动说共同构成了关于光的两大基本理论。现代科学证明，任何物质都具有波粒二象性。牛顿在光学方面还有许多发现和研究成果。如1666年他制作了牛顿色盘；1675年曾利用凸透镜和平板玻璃观察到了一种干涉图样，称为牛顿环等。他对牛顿环进行过精细的测量，但是没有能够作出满意的解释。此外牛顿还研究制成了多种光学仪器，在天文观测中有广泛的应用。
牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想。他承认时间、空间的客观存在，但却把它们看成是与运动着的物质相脱离的。他所提出的形而上学的绝对时空观，虽然在解决宏观低速下运动物体的运动规律时能很好的适用，但在离开宏观低速的条件时，便无能为力了。
牛顿对于宇宙的解释也是和笛卡儿等人一样，承认神是“第一推动力”，后来的牛顿可以说完全陷入了唯心主义。他的全部成就几乎都是在45岁以前取得的，尤其集中在23岁以前。以后的四十年中则完全陷入了对神学的研究，他在神学方面的研究手稿竟有1，500，000字之多
牛顿经典力学是人类认识自然及历史的第一次大飞跃和理论的大综合，它开辟了一个新的时代，并对科学发展的进程以及人类生产生活和思维方式产生极其深刻的影响。
经典力学的广泛传播和运用对人们的生活和思想产生了重大影响，在一定程度上推动了人类社会的发展进步。
牛顿经典力学的建立是科学形态上的重要变革，标志着近代理论自然科学的诞生，并成为其他各门自然科学的典范。
扩展资料：
在力学上，牛顿阐明了角动量守恒的原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。
他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。
