牛頓在1687年提出的萬有引力定律是人類提出的第一個關於基本作用力的定律。一百年後的1789年，法國物理學家庫侖提出了另一個基本作用力定律，即關於電磁力的定律。這兩個定律本身不是兩體逆反規律，但是這兩種力都能夠形成具有逆反作用的兩體系統，由萬有引力和電磁引力形成的兩體作用旋轉系統都遵循兩體作用逆反規律。我們知道，地球繞太陽的旋轉運動從向量上講是變速運動，這意味著地球在太陽的引力下產生了狀態變化。地球的速度變化量就是地球的時空狀態變化量，這個狀態變化量與地球受到的引力的大小成線性關係。另外，地球旋轉運動的投影是簡諧振動，跟胡克定律所支配的“彈簧-質點系統”的簡諧振動遵循同樣的運動規律。
萬有引力理論是一個普適的理論，它適用於宇宙萬物，既適用於天上的星體，也適用於地上的物體。從其科學本質來講，它必須有兩個來源：一個是天上的天體運動理論，一個是地上的物體運動理論。萬有引力理論在科學史上也正是走過了這樣的兩條發展軌跡：一條是天文學上從地心說，到日心說，再到開普勒行星執行三定律的軌跡；一條是從亞里士多德物理學，到中世紀後期的衝力說，到伽利略自由落體定律，再到牛頓力學三定律的軌跡。
回顧人類的整個科學發展史，可以看到，萬有引力的發現是最重要的一個事件，它不僅是物理學史上最重要的事件，也是天文學史上最重要的事件；它的發現史歷經了兩千年的漫長過程，這部超長連續劇的主角都是古代和近代西方最著名的科學家。萬有引力定律的發現，為發展了並爭論了兩千多年的天文學確立了最終的基本格局。萬有引力定律和牛頓第二定律的發現為近現代物理學奠定了基礎，也確立了牛頓在科學史上“第一牛人”的學術地位。現在我們就從2000多年前的古希臘說起。
1日心說：從阿里斯塔克到哥白尼
公元前4世紀，亞里士多德在他的著作《論天》裡提出，大地實際上是一個球體，一部分是陸地，一部分是水域，球體的外面被空氣包裹著。他的這一觀點不是靠憑空猜測得到的，而是給出了科學合理的解釋。他說，當一艘船消失在地平線時，總是船身先離開視線，桅杆還露在水面上，這說明海洋的表面是彎曲的。還有，當時已經知道月食是大地的陰影投在月球上產生的，既然這個陰影是圓的，那麼大地本身也應該是圓的。亞里士多德的這一思想無疑是很超前的，因為當時的絕大多數人，甚至一千多年後的絕大多數人都不相信他的話──人們無法理解，住在球體另一面的人怎麼會頭朝下走路呢？難道他們不會掉下去嗎？
儘管亞里士多德提出了正確的大地球體學說，但是他在宇宙觀上堅持地心說，認為地球是宇宙的中心，太陽、月亮、行星、恆星這些天體都在各自的天層上圍繞地球執行。由於亞里士多德在學術界的巨大影響，地心說在之後一千八百多年裡佔據著統治地位。不過，在希臘化時代也出現了不同的聲音。
公元前3世紀，在歐幾里得和阿基米德之間的這段時期，埃及港城亞歷山大里亞活躍著一位傑出的天文學家，他就是第一個提出日心說的阿里斯塔克（Aristarchus，公元前315-前230年）。此人來自希臘的薩摩斯島，他曾在雅典就讀於亞里士多德留下的呂克昂學園，是時任校長斯特拉託的學生。薩摩斯島位於愛琴海的東部，靠近小亞細亞半島，當時是伊奧尼亞文化的中心，曾誕生過畢達哥拉斯這樣的牛人。阿里斯塔克認為地球和行星以太陽為中心做圓周運動，地球每年繞太陽公轉一週，同時每日自轉一週。他自己的關於日心說的著作（如果有的話）沒有流傳下來。對於他的這套理論，後人是從阿基米德的記載中瞭解到的。阿里斯塔克有一本著作《論日月的大小和距離》流傳至今，這本書中記述了他對太陽、月亮與地球距離之比，以及太陽、月亮、地球三者大小之比的測量。他求得日地距離為月地距離的19倍，太陽直徑為月球直徑的19倍，地球直徑為月球直徑的3倍，太陽直徑為地球直徑的6-7倍。儘管這些結果與實際值相差甚遠，但他的這些工作無疑是一個創舉，他是第一個認識到太陽遠比地球大得多的人。
阿里斯塔克
公元前2世紀，亞歷山大里亞又培養出來一位偉大的天文學家叫希帕克斯（Hipparchus），他在希臘的羅德島上透過自己製造的觀測儀器和自己建立的球面三角這個數學工具建立起了定量的天文學體系，他計算出月球到地球的距離為地球直徑的30。2倍，這是非常了不起的成就了。希帕克斯求得一年為365天零1/4日再減去1/300日。這個數值的誤差只有6分鐘，240年才差一天。希帕克斯在把自己對恆星的觀測結果跟前人的記錄相對照時發現恆星不“恆”，而是運動的。希帕克斯還把星星的亮度分了六等，這種方法沿用至今。“歲差”現象也是希帕克斯最早發現的，他計算出迴歸年（太陽年）比恆星年短，歲差值為36弧秒（比實際少了14弧秒）。遺憾的是，阿里斯塔克的日心說思想沒有為希帕克斯所接受。
在公元2世紀的希臘化時代的後期，亞里山大里亞的天文學家托勒密在希帕克斯的天文學的基礎上建立起了宏大的地心說宇宙體系。由於當時古希臘人觀察到行星到地球的距離時遠時近，並不是沿著以地球為中心的圓周軌道勻速執行，所以在希帕克斯和托勒密的地心說宇宙體系中採用了複雜的本輪-均輪模型。在這個模型中，天體並不是一直位於以地球為圓心的軌道上，而是在其稱為本輪的軌道上勻速轉動。本輪的中心則是在以地球為中心的圓周軌道上勻速運轉，這個以地球為中心的圓周軌道叫做均輪，均輪也就是本輪的中心所在的軌道。所以天體的運動就是在本輪與均輪上運動的組合，由此造成天體到地球的距離是變化的。這樣就維持了古希臘人以圓形、球形、勻速、和諧為準則的美學觀點。
克羅狄斯·托勒密
托勒密的本輪和均輪天文學體系最早是來自柏拉圖學園裡的數學家歐多克索的假設。歐多克索的年齡介於柏拉圖和亞里士多德之間，他假定了地球是一組8個同心球體的系統的中心，其中有一個是推動整個天空做每日運轉的圓球，它的軸跟宇宙本身的軸是同一個。其餘7個球的軸都是不同的。不過這還不足以解釋當時觀察到的一切天體運動。然後他又以同樣的方式根據他的需要構造出許多補充的球體，最後總共湊出來27個球體，這就足夠用來表示出他當時所觀察到的天體運動了。
15、16世紀的歐洲文藝復興實際上是對古希臘文化的復興，天文學的復興運動也是整個文藝復興運動的重要組成部分。15世紀的天文學復興運動是從維也納大學的普爾巴赫（Purbach）開始的。普爾巴赫編譯過《托勒密至大論綱要》，他留下的《蝕表》中包括對日、月蝕發生時間的推算，他還在1456年6月觀察過哈雷彗星並寫下天文學報告。普爾巴赫的學生約翰·繆勒（JohannesMüller）曾到紐倫堡和自己的富商朋友瓦爾特（Walther）一起在瓦爾特的私人天文臺進行天文觀測，還編印了航海曆書，他們的航海曆書給西班牙和葡萄牙的航海家（如哥倫布等）提供了極大的幫助。
接下來我們要重點介紹的就是哥白尼了。尼古拉·哥白尼（NikolajKopernik，公元1473-1543年）不是一位職業天文學家，他是一名偉大的業餘天文愛好者。能把業餘愛好修煉到“偉大”的程度，你是不是覺得不可思議？但是在人類文明史上卻屢見不鮮。
波蘭幣上的哥白尼
哥白尼比中國明代的思想家王陽明只小几個月。1473年，哥白尼出生在波蘭的一個殷實的商人之家，但是在他10歲的時候父親就去世了，之後由他做主教的舅父把他撫養長大。哥白尼先是在波蘭的克拉克夫大學學習醫學，23歲來到文藝復興的發祥地義大利，在歐洲當時最著名的文化中心博洛尼亞大學和帕多瓦大學攻讀法律、醫學和神學，此外他還從博洛尼亞大學的天文學家德·諾瓦拉那裡學到了天文觀測技術和古希臘的天文學理論。在義大利呆了10年，哥白尼打下了深厚的學術基礎，成為一名博學多才的學者。也正是這個時期，在他的頭腦裡埋下了一個世界新體系的種子。回到波蘭後他在波羅的海海邊的佛勞恩堡擔任教士兼醫生，由於醫術高明而被人們譽為“神醫”。不過使哥白尼名垂青史的不是“神醫”這個名號，而是他的《天體執行論》（準確的譯名應該是《論天球的旋轉》）以及這部書所闡述的“日心說”。
哥白尼並不是只寫了《天體執行論》這一本書，他還曾寫過一本叫《短論》的小冊子來闡述他的學說。這本《短論》並沒有正式出版，從1530年起它以手抄本的形式在朋友圈裡傳閱。正是有了這本小冊子，在哥白尼生前就有許多人知道了他的學說。不過《短論》畢竟只是短論，人們對哥白尼學說的詳細論證是在哥白尼死後從《天體執行論》中讀到的。在去世前哥白尼決定將《天體執行論》這部著作付印出版，1543年5月24日垂危的哥白尼收到了出版商從紐倫堡寄來的樣書，他只是摸了摸書的封面，便離開了人世。
幫助出版《天體執行論》的牧師安德萊斯·奧席安德認為哥白尼的學說不一定是對的，但是在直觀地解釋天體運動和預言天體的未來方位上不失為一種方便的數學方法。可是哥白尼認為自己的學說是對世界的真實描述，而不是一個苟且的工具。不過哥白尼的理由是基於畢達哥拉斯關於天體運動是圓周的和均勻的論斷，哥白尼認為托勒密違反了畢達哥拉斯論斷的嚴格意義。為了解釋某些天體的運動，托勒密假定這些天體的圓周運動的角速度對它們的圓周的中心而言是不均勻的，而只是對這些中心以外的那些點來說是均勻的。哥白尼認為這種解釋方式是整個托勒密體系的一個嚴重缺陷，特別是，托勒密們毫無必要地使他們的宇宙體系變得複雜。
在哥白尼的書出版之後，他的假說究竟是對地球和行星實際執行的描述，或者僅僅是一種便於編制行星表的計算工具，人們有很大的爭論。這大概是最早的實在論和工具論之爭。奧席安德出於善意在書中添加了一個以書作者的名義寫的短序，宣告這全部學說僅僅是一種計算工具，並不冒犯《聖經》或者自然的真理。當然這不是作者的本意。多年以後，開普勒揭露了這個短序是一篇偽作。
對於哥白尼的日心說，天主教起初是容忍的，而路德和他的宗教改革派給予了激烈的反對。後來，天主教也是越來越反對，1616年後就準備禁止講授哥白尼的天文學。在信仰新教的英國，科學家大都推崇日心說，而弗朗西斯·培根卻是一個最大的例外，他是反對日心說的。這一定出乎多數人的意料。
在宣傳和發展日心說方面最重要的人物要數義大利思想家喬丹諾·布魯諾（GiordanoBruno）了。布魯諾開始是天主教多明我會的僧侶，他因在雲遊歐洲時宣傳異教思想而在1600年被宗教法庭綁在火刑柱上燒死，他的死跟日心說沒有太大關係。布魯諾是一個泛神論者，是斯賓諾莎泛神論思想的先驅。布魯諾比哥白尼更進了一步，他認為眾多的恆星是無限空間中的一個個太陽，是無數個像我們一樣的行星系的中心。這樣的一個體系符合他的泛神論思想，在這個體系當中，完全沒有了上帝的位置。布魯諾憑他的直覺預見了許多發現，併為後來的觀測所證實。
哥白尼能夠提出日心說，是因為他生活在文藝復興這個偉大的時代，特別是他最寶貴的青年時代是在文藝復興的中心和起源地義大利度過的。這個時代洋溢著思想的自由，有日心說思想的並不只有哥白尼一個人，比哥白尼年長21歲的達·芬奇也有這種思想。在《達·芬奇筆記》裡散落著這樣一些話：“太陽不動。太陽有物質，形狀，運動，輻射，熱和原動力：這些特質都從太陽發射而不衰減。……在整個宇宙中我從沒看到過一個物體的大小和能力比太陽大，太陽的光照亮了宇宙中的所有天體，一切活力都是從太陽那裡降臨的……。”
哥白尼的偉大之處在於他有著詳盡的觀測資料作為基礎，又有著嚴密的數學論證，無論在實踐上和理論上都遠非前人和同時代的人可比。
哥白尼不僅在天文學上有重大貢獻，在近代力學上也是一位先驅。哥白尼設想每一物體，包括太陽、月球和各個行星，都有自己的引力體系，這樣空中一塊石頭就會落向離它最近的天體。哥白尼認為引力是物質聚集的一種趨向。他的這種引力思想對於17世紀萬有引力理論的提出有著一定的影響。哥白尼的這種天體引力的想法是從地球引力類推出來的，他並沒有想到天體與天體之間也會受這種引力的影響，沒有想到行星圍繞太陽的圓周運動跟某種力有關，沒有把天體之間的關係跟天體對附近小物體的作用關係統一起來。我們都知道，這個統一是後來由牛頓完成的。
按照畢達哥拉斯關於天體運動是圓周的和均勻的論斷，哥白尼的天文學說仍然是有缺陷的：因為根據觀測結果，地球繞日軌道的中心並不在太陽的位置上，而是離開太陽還有一段距離。為了使行星的軌道符合正圓，哥白尼在他的體系中仍保留了一些本輪和均輪。相比於地心說體系，哥白尼的日心說體系最優越的一點是對水星和金星始終出現在近日天空的現象給出了合理的解釋。例如，金星與太陽的角距之所以從未遠離45，是因為其繞日軌道的大小是地球軌道大小的70%左右。而在托勒密理論中必須微調水星和金星的運動，使它們的本輪中心總在日地連線線上。在哥白尼的體系中，完全不需要這種不自然的贅疣般的微調，這種微調使得依靠本輪和均輪拼湊出來的托勒密理論更加醜陋不堪。
有人提出，如果地球在轉動，空氣就會落在後面而形成一股持久東風。哥白尼給出的答覆是，空氣含有土微粒，和土地是同一性質，因此逼得空氣要跟著地球轉動。這種答覆現在看起來很是搞笑，但是這類解釋在中世紀以前是很常見的，在文藝復興時期仍有市場，不過無論如何這種解釋在明眼人看來並不值得信服。自伽利略以後，對於自然界的這類解釋就越來越少了。
還有人提出，如果地球繞日轉動，它就會因離心力的作用導致土崩瓦解。哥白尼的答覆是，如果地球不繞日轉動，那麼包括太陽在內所有龐大的星體就必須以極大的速度繞地球轉動，如此一來這些星體就更容易被離心力拉得粉碎。哥白尼回答的沒錯，地心說有著更為致命的問題。但是指出地心說的問題並不代表就解決了對日心說的質疑，他並沒有回答出“地球會因離心力的作用導致土崩瓦解”的問題。所以哥白尼的這個論證也是站不住腳的，何況在亞里士多德和托勒密的體系中，天層被認為是完善和沒有重量的第五種元素“以太”組成的，所以不受離心力這類地上的作用力的影響。當然地心說的這類解釋也是沒根沒據，但是哥白尼也拿不出足夠的理由駁倒人家。
所有這些問題都還有待於伽利略、開普勒和牛頓去解決。
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