“超能大星探”的天文学家搜寻夸克星

天文学家早已发现了白矮星，太阳之类的晚年恒星在爆发后留下了白矮星遗骸。太阳质量的恒星经过了主序星阶段，它们在逐渐地冷却之后变成了白矮星。天文学家在上个世纪的六十年代发现了中子星，它也被称为脉冲星，中子星是由质量远大于太阳的恒星以超新星爆发的方式形成的，由于中子星的物质密度和引力作用十分巨大，原子内的质子和电子被压实、捣碎在一起，带正电的质子和带负电的电子结合成中子，一茶匙的中子星物质相当于1千万吨的重量。人们逐渐熟悉的黑洞是由更大质量的恒星以超新星爆发的方式形成的，黑洞的物质密度和引力强度比中子星更大，甚至克服了中子结构的支撑力，最终塌缩为密度无限大的奇点。

理论物理学家预测了白矮星、中子星和黑洞的存在，天文学家通过大量观察证实了它们的实在性。高密度的天体不再是理论虚构的产物，它们分布在辽阔的太空，仿佛一直在向人们“点头致意”。死亡恒星留下了多少类奇异的天体？晚年恒星通过大爆发的方式形成了以上奇异的天体之外，是否还能形成其它的奇异性天体？从物理模拟和数学计算的预测结果进行分析，科学家至少可以预测一个新类型的天体——夸克星，但什么是夸克星？它们会在什么地方出现？

回顾一下中子星的概念，根据现有天体物理学的理论分析，中子星拥有超强的引力强度，引力的压缩作用粉碎了原子内的质子和电子，或将质子和电子合并为中子态的粒子，顾名思义，中子星是由中子构成的天体，中子星结构十分稳定，如果一个中子星从外界捕获了更多的物质，那么中子星由于质量的增加而变得不稳定，当引力强度超过了自身承压的界限时，中子星再也不能将增加的物质聚集为稳定的结构，在更大引力的压缩下，中子星将转变为一个黑洞。

太阳质量之类的恒星有自身的特定结构，恒星的外层是对流层，中间层是辐射层，内层是核心层或核球层，恒星的核聚变反应都是在它的核心层发生的。中子星是否有类似恒星的层级？中子星的核心层和外层有怎样的不同？夸克星概念来自于恒星演变“中间产物”的假设，天体物理学家假想，在中子星和黑洞之间有一类“过渡性天体”，物理学家相信，夸克是比中子更小的粒子，天体物理学家自然而然地把过渡性的天体看成是“夸克星”。中子星的核心层聚集了大密度的物质，它不一定能将所有物质聚合为稳定性的结构，但在它的核心层聚集的物质没有多到“把持不住”的程度，如果中子星超出了自身的质量界限，那么它将会完全地塌缩为一个黑洞。

在超越中子星质量界限的情形中，中子星内的夸克被强大的引力压缩，上夸克和下夸克被压缩成“奇异夸克”，而物理学家将由奇异夸克组成的物质称之为“奇异物质”。中子星有很多奇异的特性，如果它们恰好合并为粲夸克，那么由粲夸克组成的物质就被称为“餐物质”。夸克星概念只是理论的假设，但科学家似乎发现了夸克星存在的某些证据，比如：天文学家发现了一类超新星，它们在爆发时释放的能量相当于普通超新星释放能量的大约100倍，它们是所谓的“超级超新星”，但存在其它有意思解释的可能。

也许有一种更重、更不稳定的中子星，它们有可能产生“二次爆发”，这类中子星通常从一个双星系的伴生星吸取了额外物质，当它们吸取的额外物质超过了特定的质量界限时，可能从普通的中子星转变成由奇异夸克构成的夸克星，但夸克星的实际存在非常之小。人们现在知道，一个普通中子星的直径为25公里，而一个夸克星的直径仅有16公里，它的直径几乎达到了黑洞直径的边缘，跨越了直径范围的夸克星将进入黑洞的“边城”。

夸克星的存在可能不会存续很长的时间，它们是中子星和黑洞之间“转型”或过渡的产物，夸克星处在不稳定的中间阶段，在它们演变的后方是中子星，在它们演变的前方是黑洞，它们将会“奋不顾身”地投身黑洞的“怀抱”。黑洞的事件视界形成之时就是恒星的生命周期结束之日，在恒星遗骸的家族中可能存在其它还未发现的成员，奇异物质可能构成了奇异天体，夸克星可能就在某个太空的角落转动，它们的存在性与虚无性给科学家带来了极大的想象和兴趣。从中子星到夸克星的过度阶段，物质密度被进一步压缩，在物质密度不断压缩的过程中出现了不同的质量界限。“科学新声音”唱得响亮，天文学家将会持续地观测、搜索可能存在的夸克星。

（编译：2016-7-27）

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宇宙可能是一个黑洞，如果人类不小心掉进去，很有可能被“挤成面条”，这并不是危言耸听。

黑洞具有强大的引力，会将所有物体进行挤压和抻拉，塑成一串亚原子粒子，看上去就像又细又长的面条。

如果你掉进黑洞时，刚好是醒着，压面条的过程会让你没什么感觉，很快就会过去。既然黑洞这么危险，那么它们也就不大可能存在生命。

说到底，有什么能在其中存活下来呢？不过，有一个流行的理论违背了这一逻辑。它声称，尽管看似不可能，但生命不仅可以存在于黑洞中，而且我们就是证据，因为我们生活的宇宙就是一个巨大的黑洞。

黑洞是一种引力大到没有什么能逃离它的天体，就连光也做不到。关于这种天体可能存在的猜想，可以追溯到数个世纪之前，尽管那个时代的大多数时间里，科学家们并不愿意接受“如此古怪的现象有可能是真的这样的”想法。

预言黑洞存在的第一人是英国的牧师约翰·米歇尔。1783年，他给英国皇家学院递交了一篇论文，在论文中他猜测：如果一颗恒星比我们的太阳大五百倍，其引力场的强度会大到使光无法逃离。

科学界把这一假说斥为胡思乱想，似乎不大可能有任何恒星会如此巨大，而且无论如何，当时主流的信念是：光不受引力的影响。

于是，关于黑洞的奇怪想法就这样被束之高阁了，直到1915年，它才被重新捡起，恢复生机。

爱因斯坦当时发表了他的广义相对论，从而说服了科学家相信引力并非一种力，而是代表着空间与时间的弯曲。这样的话，光就会受引力的影响，因为它会沿着时空的曲线运动。广义相对论还意味着，具有足够大的质量和密度的天体，可能会强烈地扭曲时空，以至于形成一个“井”，任何东西都不能逃离它，就连光也不能从中逃脱。

在这个“井”的中心将形成一个奇点—在这个点上，引力场的强度将无限放大。尽管广义相对论本身隐含此点，大多数科学家，就连爱因斯坦本人，都仍然认为黑洞是一个疯狂的想法。问题在于，物理法则会在奇点失效，而物理学家会出于本能，避不接受这件事可能会发生。

物质可能会被无限压缩的想法似乎也是错的，因为有限的事物怎么能拥有无限的值呢？科学家们认为，到了某个点上，构成物质的亚原子粒子会找到一种办法，抗拒进一步被压缩。

直到20世纪60年代，科学界才接受了黑洞的存在。事实上，黑洞这个词也是在这十年间才被创造出来的。

另外，射电和X射线天文学的新技术展现出宇宙拥有一些非常奇怪、高能且极为致密的天体，如类星体和脉冲星。相比来看，黑洞似乎也没那么离奇了。

黑洞刚被接受为可能的现象没多久，人们就开始怀疑，我们会不会生活在一个黑洞中呢？黑洞宇宙假说并不是某个理论家的发明，并没有哪个人物站出来，成为它的捍卫者。

相反，20世纪60年代末70年代初，黑洞宇宙假说就像一个“梗”一样在科学界流传着，随后在大众中风靡起来。

许多人各自独立地想到了这个假说，因为在天体物理学的框架里，它是一个在某种意义上很明显易得的想法。在自然界只有两个位置与奇点相关：黑洞中心和创造我们宇宙的大爆炸的起点。

因此，想象两者会不会相关也确实自然合理。一旦你开始把宇宙与黑洞做比较，那么其他相似之处自然就会浮现出来。有一个事实是，黑洞存在一个事件视界，这是一个无法回头的地方。

就像一条围绕在黑洞周围看不见的线，无论什么东西越过这条线，都会彻底被黑洞的引力攫住，即使是光也无法逃脱，而且从一个外部观察者的视角来看，它会彻底从宇宙中消失，不复存在。

我们无法跨越这个宇宙级视界的原因在于：宇宙的持续膨胀造成该视界远离我们的速度要快于我们做星际旅行去追赶它的速度。

事实上，它远离的速度比光速还快，而且尽管它不受光速的限制，但我们受这个限制。这意味着物理法则使我们永远无法跨越这一视界。

这一切可能听起来相互矛盾。为什么宇宙级视界能以高于光速的速度移动，而我们却不能？这是因为宇宙在膨胀，而且无处不在膨胀，这意味着膨胀是累积的。

两个天体之间距离越远，就会有越多单位的空间同时在膨胀，没有极限。累计足够大的空间，膨胀速度就会超越光速—可从来没人说过天体物理学浅显易懂。

任何物体如果被压缩得够小，都会变成一个黑洞，因为随着密度越来越大，其表面受的引力会增强。一个物体引力的强度和你与它之间的距离呈负相关—具体来说，和你与其中心点之间的距离呈负相关。

因此，如果你压缩整个物体，使它直径更小，由此缩短了其表面到中心的距离，则其引力会相应地增大。让我们来看一个例子：如果疯狂的科学家们能够将整个地球压缩到比高尔夫球稍小的程度，那么地表所承受的引力将变得无法抗拒，地球会变成一个黑洞。

与此类似，如果这些科学家能够把你压缩成一个微小的点，比一颗原子的原子核还要小一些，你也会变成一个黑洞。

我们肯定生活在一个黑洞之中。当然，大多数天体物理学家并不打算承认这一点。首先，他们提出，大爆炸的奇点与黑洞的奇点并不具有可比性，因为它所在的位置不对。

如果你即将掉进黑洞，奇点会不可避免地位于你的前面，存在于你的未来，但是在我们的宇宙中，奇点处于我们的过去，处于大爆炸发生的时刻。

这是一个巨大的差别。我们的宇宙看起来是从一个奇点中诞生出来的，但它并没有奔向某个奇点。同时，黑洞的事件视界是太空中一个固定的界限，而宇宙级视界则与观测者所处的位置相关。

一个二百亿光年之外的文明所看到的宇宙级视界会与我们的视界有显著的差别。另外，至于可观测宇宙的半径小于史瓦西半径一事。这确实是真的，但这并不一定意味着我们就身处黑洞中。

实际上它意味着宇宙膨胀的速度已经接近其逃逸速度，而我们应当对此心怀感激。如果宇宙膨胀得再慢一点，它可能已经向自身内部坍缩回来了，而如果它膨胀得再快一点，星系和太阳系这样的天体会无法形成。

然而，它膨胀的速度恰到好处，使我们得以存在。理论物理学家西恩·卡罗尔指出，如果有谁真的热衷于想象我们被困在某种巨大、宇宙级的洞里的话，对于这种想象，一个更好的表述方法或许是，我们生活在一个“白洞”中。

说得更具体点，这是一个时间倒转的黑洞，物质无止境地从中喷薄而出，而不是掉进其内部。但白洞也有一套问题随之而来。

它们从理论上是可能存在的，因为不管事物在时间上是向过去还是向未来移动，物理法则都发挥着同样的作用。

但是照这样说，一颗打碎的鸡蛋自然而然地重新变回成一颗完整的鸡蛋，理论上同样可能。物理法则是允许它发生的，但是目击这种事发生的概率几乎为零。

所以说，或许我们并没生活在黑洞中，而我们的宇宙并没有朝一个奇点向内坍缩的这个事实—其本身就证明了这一点。

但是，在天体物理学中，事情从来就没有这么简单。黑洞宇宙假说的支持者们坚称有办法绕过所有相反的论证。

它仍然可以说得通的一种方法是，假设确实有一个奇点就处在我们无法逃避的未来。如果从现在起数十亿年之后，宇宙膨胀会暂停，然后反转过来开始一场大收缩，那么可能就满足了黑洞的定义。

所有的黑洞都会形成新的宇宙，而这正是我们的宇宙诞生的方式，它就是从更大宇宙的某个黑洞中诞生出来的。当然，这引出了母宇宙如何形成的问题，这似乎是一个谜。除非它也是从黑洞中诞生出来的。也许全宇宙都由一系列黑洞宇宙构成，就像俄罗斯套娃那样一层套一层，向外和向内都无限延伸。这可能是个令人困惑的想法，但比起其他关于宇宙起源的理论，它大概也并没有显得更加离谱吧。

霍金曾被誉为是继爱因斯坦后最杰出的物理学家，对于宇宙论和黑洞的探究恐怕没人能做到霍金一样的深度，但是人们在了解霍金的时候也不仅仅赞叹于他的伟大成就，人们还感叹于霍金在一副萎缩的躯壳中还有着伟大的思想。除此以外霍金的婚姻生活也是很幸福的，不光有着美丽的太太，还有着3个可爱的孩子。

面对霍金身患绝症爱人不离不弃

喜爱物理学和探索宇宙知识的人大概都对斯蒂芬·威廉·霍金已经十分熟悉了，1942年霍金出生在英国牛津，可以说霍金在一定程度上继承了父母的优秀基因，霍金的父亲和母亲都就读于牛津大学，父亲本来想要从军但是后来因为国家的需要转而进行医学研究，母亲则是学习哲学、政治学和经济学，人们都称霍金的家庭是高知识分子一家。

父母在生下霍金后不久生下了两个女儿菲莉帕与玛莉，后来还收养了一个儿子，从小在所有孩子中霍金就表现出与同龄人不同的聪明机灵，17岁的那年霍金也和父母一样进入牛津大学学习自然科学，后来又转到剑桥大学研究宇宙学，在学校的这段时间是霍金最开心的日子，帅气加上博学也使得霍金收获了不少女生的青睐。

在剑桥大学一次聚会上霍金和好友一同出席，在这里他遇到了自己一生的挚爱简·王尔德，两个人一见钟情并且通过交流更是互生好感，舞会后两人便一吻定情，青年男女的爱情总是来得如疾风一般激烈，甜蜜也随之而来。

1964年相爱的两个人便私定终身，但是霍金这时却经常性的出现一些症状，总是无缘无故地摔倒或者突然失去知觉，朋友们都担心霍金的身体便送他去医院诊治。

谁也不曾想应该有着美好青春和未来的少年却被可怕的疾病缠上，21岁的时候霍金被医生判断患有肌肉萎缩性侧索硬化症，这就意味着霍金的身体会渐渐萎缩到一起，直到失去所有的自理能力，并且医生断定霍金只能存活两年的时间，对于谁来说这都是接受不了的噩耗，于是霍金在患病初期态度十分低沉和消极。

朋友和简看到霍金整日的颓废十分担心，想要进行安慰，但是霍金拒绝见所有的朋友，即使简到了房子窗边霍金面对心爱之人也是不加理睬，甚至告诉简不要再管他。

简没法看着爱人如此放弃自己，于是和霍金商量出去打打球放松一下，但这时的霍金已经无法像正常人一样走路，看着霍金艰难行走的背影，简做了个大胆的决定，她决定要向霍金求婚，霍金的父亲曾劝说简不要冲动，毕竟自己的孩子已经时日不多了，但是简仍然固执地要嫁给霍金，就这样1965年年仅21岁的简和23岁拄着拐杖的霍金举办了婚礼。

拥有着3个孩子的霍金也在科学研究上获得成功

对于霍金的爱情故事曾经还有一部**纪录片《万物理论》中也有过非常感人的再现，好像我们真的看见了曾经英俊帅气的霍金牵起美丽的手步入婚姻。两人在结婚之后过得也十分幸福，霍金也重新有了坚持活下去继续从事自己热衷的研究工作的热情，虽然在婚后霍金的身体状况还是不停地恶化，但是这时候却传来一个好消息。

1969年的这天简生下了他们的第一个孩子露西，而且在不久前霍金也得到了剑桥大学的博士学位，对于霍金来说生活开始变得美好，但同时对简来说无疑是负担的加重，这就意味着她不光要照顾霍金，还要照顾孩子和家庭，而且自己也要考文学博士的学位，但是在爱面前简什么都不惧怕，她坚持着平衡家庭和学业，似乎没有什么能够动摇她的坚持。

对于霍金来说即使自己身体状况不好，他也没有放弃和妻子温存，接下来的时间里霍金和简又接连有了两个小孩，家庭的温暖和简对于家庭的付出使得霍金可以认真地进行研究。1973年霍金在考察黑洞附近的量子效应时，发现黑洞会像天体一样发出辐射，因而他开始转向量子引力论的研究，并且发展到了第三个层次，这也让霍金变得更加被人们熟知，在物理学研究领域人人都为他鼓掌叫好。

就这样原本被断言只能活两年的霍金顽强地活了下来，在生活事业都美满的同时，危机却不知不觉地来到身边。1983年霍金因为患上了肺炎，彻底失去了说话的能力，就连演讲都使用合成器完成。与此同时他也越来越不爱和妻子交流，这使得简十分地崩溃，面对日益淡漠的丈夫，简对生活也没有了最初的热情。

霍金和简的爱情故事最终在25年后落幕

往往能够击溃爱情的是第三者的加入，霍金和简这样甜蜜的传奇爱情最终也没有逃开分离的命运。在霍金与简感情冷淡后，简在教堂偶遇到一位音乐家乔纳森，风度翩翩的乔纳森还默默地帮助简照顾起了孩子和家庭生活，这使得简感受到了从未有过的幸福和满足，于是她的心也慢慢地向乔纳森靠近。

霍金渐渐地感觉到了妻子的变化，这时候一直护理霍金的护士伊莲看到两人的婚姻危在旦夕，于是故意离间两人，在霍金需要照顾的时候又展开温暖的怀抱，就这样霍金也开始对伊莲有着暧昧的情感。

1988年霍金出版了《时间简史》这一伟大作品，霍金收获了不少的名气，但是也让他和简的婚姻彻底走到了尽头，霍金将简和3个孩子赶出了家，两人还打了好几年的官司，最后简和乔纳森结了婚，而霍金和伊莲结了婚。

原本幸福美满的家庭后来变得分崩离析，让多少人都为之觉得遗憾，大家赞赏简对于爱情的付出，为了爱的人不惜接受他的疾病，无怨无悔地照顾霍金25年，这是换做谁都很难做得到的事情，但是对于霍金来说面对感情的变质和自己身体的脆弱想必他的内心也是十分痛苦的。

人们都希望一段婚姻是美满永恒的，但是如果出现了裂痕还是应该各自放手成全对方的幸福，如果彼此在心中对于这份感情都留有一丝的怀念和感恩，就应该善始善终，这样对彼此都是最好的结果。

牛顿简介

牛顿（Isacc Newton，1642—1727）是英国数学家、天文学家和物理学家。

1642年12月25日出生于英国北部林肯郡的偏僻农村——伍尔索朴的一个农民家里，出生前2个月，牛顿的父亲就去世了。他的父亲名叫伊萨克，可他的母亲仍把儿子的名字叫做伊萨克，牛顿出生时才3磅，接生婆甚至没料到他能活下来，更没有料到他竟活到85岁高龄，而且是世界上出类拔萃的科学家。

牛顿两岁时，母亲改嫁给一个名叫巴顿的牧师，从此牛顿就由外祖母抚养。到了学龄期，牛顿被送到公立学校读书，12岁时进中学，寄宿在一家药铺里。在学校里，他读书成绩开始并不突出。他沉思默想，喜欢动手制作小玩具。例如读小学时，就制成了令人惊讶的精巧的小水车，在读中学时，自制了一个小水钟。黎明，水会自动滴到他脸上，催他起床。后来，巴顿病故，母亲领了两个妹妹、一个弟弟回到了家。母亲希望牛顿放牧耕种，14岁的牛顿就辍学在家。

牛顿充满理想，虽停学在家，还是一心想着各种学习问题。他在自家石墙上雕刻了一个太阳钟，争分夺秒地学习，母亲要他放牧，他牵马上山，边走边想着天上的太阳，待走到山顶想骑马，可是马跑得不见了，自己手里只剩下一条缰绳。叫他放羊，他独自在树下看书，以致羊群走散，糟塌了庄稼。舅父叫佣人陪他一道上市场熟悉熟悉做交易的生意经，可是牛顿却恳求佣人一个人上街，自己躲在树丛后看书。有一次，他在暴风雨中测风速，浑身湿透。母亲简直惊呆了，怕他发疯，只好让他回到中学读书。牛顿如痴似疯地学习，一生闹了许多笑话。一次，他边读书边煮鸡蛋，待他揭开锅子想吃蛋时，锅子里竟是一块怀表，还有一次，他请一位朋友吃饭，菜已摆在桌上，可是牛顿突然想到一个问题独自进了内室，很久还不出来。朋友等得不耐烦了，就自己动手把那份鸡吃了，骨头留在盘里，不告而别。隔一会儿，牛顿走了出来，看到盘子里的骨头，自言自语地说：“我还以为自己没有吃饭呢！原来已经吃过了。”传说牛顿在其重要著作《自然哲学的数学原理》出版后的一天，强迫自己到剑桥大学附近的一个幽静的旅馆里去休息一下，但他怎么也静不下来。他见到人家洗衣盆里肥皂泡薄膜在阳光下呈现美丽的色彩，寻思着这里究竟是怎样的一个光学道理。于是就用麦秆吹起肥皂泡来，一本正经地吹着吹着。店主看了，颇为他惋惜：“一位快50岁的挺体面的先生，竟疯成这样子，整天吹肥皂泡。“

1661年，牛顿考上剑桥大学三一学院，学院的巴罗教授发现牛顿是个人才，推荐他当研究生。1665年，毕业后牛顿留在大学研究室。这年6月间，鼠疫流行，学校关门，牛顿只好回到家乡。这期间，他把主要精力集中于科学研究。他系统地整理了大学里学习过的功课，潜心研究了开普勒、笛卡尔、阿基米德和伽利略等前辈科学家和主要论著，还进行了许多科学试验。

牛顿在家乡避疫的两年间，几乎考虑了一生中所研究的各个方面。特别是他一生中的几项主要贡献：万有引力定律、经典力学、流数学（微积分）和光学等基本上都萌发于1665——1666年间。瘟疫过后，1667年3月，牛顿又回到大学里当研究生。1668年，获硕士学位。1669年，由巴罗教授推荐，27岁的牛顿当了数学教授。他担任此职务，前后共26年。

牛顿不善于教学，在讲课方面，并不太受学生的欢迎，但在解决疑难问题方面，却远远超过众人。

牛顿在科学史上的崇高地位是举世公认的。恩格斯曾指出：“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于建立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”的确，牛顿在自然科学领域里作了奠基性的贡献。

牛顿发现万有引力定律是他在自然科学中最辉煌的成就。在同一时期，其他一些科学家如雷恩、哈雷和胡克等都在探索天体运动的奥秘。1679年，皇家学会干事胡克意识到引力的平方反比定律，但没法证明。因为他缺乏牛顿的数学才能，也没有能俯开普勒的等面积定律。胡克为此事还写信给牛顿，探询牛顿在研究引力问题方面的进展情况。牛顿没有给他满意的回答。其实，牛顿这时候对于引力问题也还没有搞得很清楚。因为第一，他曾想根据平方反比关系对月球的轨道运动的向心加速度和地面上物体的重力加速度作比较，但当时所知的地球半径之值不精确，计算误差较大。第二，牛顿尚没能精确地证明，在计算距离时，可以把月球和地球看它们的质量都集中在它们各自的球心。这个问题直到牛顿发明了流数术（微积分）以后才得到解决。1684年，雷恩、哈雷和胡克等人又提出要推动这一问题的研究，也就是要从天体间引力的平方反比关系得到椭圆轨道的结果。同年8月，哈雷专程来到剑桥大学，登门拜访了牛顿，发觉牛顿已解决了这个难题。牛顿一时未打到手稿，答应再写一篇寄给他。同年11月，牛顿便把重新计算的稿纸连同有关的材料都寄给了哈雷，哈雷极其兴奋而又激动地看完了牛顿的计算底稿，又赶到剑桥大学，竭力劝说牛顿发表。牛顿起先写成了《关于运动》的论文，在皇家学会引起了巨大的反响。后来又是在哈雷的热心劝说下，牛顿在1685年春完成了巨著《自然哲学的数学原理》初稿。依旧还是哈雷奔波调停，联系出版，可是皇家学会却推说经费不足，暂缓出版。这时，热心的哈雷慨然解囊，资助了全部出版费用，这样才使这部划时代的巨著得以在1687年问世。牛顿为此激动地对哈雷说：“哈雷！为了这部书的出版，你费了不少心啊！没有你的努力，也许就没有这部书。幸亏没有给你带来什么麻烦，总算放心了。”

麻烦的事毕竟发生了。早先，坚持波动说的胡克与坚持微粒说的牛顿为了说明光的本性问题，曾有过不愉快的争论。这回，为了谁最先发现万有引力的问题，发生了又一次的不愉快的争论。最后牛顿还是作了让步，把胡克作过研究的那部分作了说明，归功于他。

《自然哲学的数学原理》一书分为二大部分，第一部分是导论部分，包括定义、注释和运动的基本定理或定律，第二部分是这些基本定律的应用，共分为三编。

导论部分虽然篇幅不大，内容却极为重要，对一些重要概念：如物质的量、运动的量、物质固有的力（惯性）、外力、向心力以及牛顿的绝对时间、绝对空间和绝对运动等都下了定义或是作了说明。关于运动的基本定理或定律主要叙述了机械运动的三个基本定律，接着又给出了六个推论，包括力的合成与分解、运动的叠加原理和动量守恒定律、经典力学的相对性原理及虚位移原理等。第二部分中，标题为“物体的运动”的第一编讨论了万有引力， 题名为“物体（在介质中）的运动”的第二编，证明了笛卡尔的漩涡模型不能说明观测到的行星运动，还论述了有关流体性质的若干定理和推测。第三编解释了行星的运动和潮汐之类的引力现象。在本编的开始还阐述了“哲学中的推理法则”。

《自然哲学的数学原理》的出版，标志着经典力学体系的建立。所谓经典力学体系，简单地说来，是以四个绝对化的概念：空间、时间、质量和力为基础，以三个基本定律为核心，以万有引力定律为它的最高综合，并用微积分来描述物体运动的因果律。这是一个立足于实验和观察的基础上的，结构严谨、逻辑严密的科学体系。《自然哲学的数学原理》使是这个体系的集中表现。

要指出的是运动基本三定律的研究和发现，经过了许多科学家和思想家的长期探索的过程，明显地呈现知识发展的继承性。例如，惯性定律最初是由伽利略提出，后来由笛卡尔完善的，作用力和反作用力定律是由活利斯、雷恩和惠更斯发现和验证的。运动第二定律才是牛顿在1684年发现的。这三个定律从孤立地个别地被发现到作为一个整体，成为“基本”定律，是有一个过程的。1684年10月左右的牛顿手稿中还曾经提出过运动基本六定律，至1685年《自然哲学的数学原理》初稿完成时，把“基本六定律”改为“基本三定律”，而把其余的定律作为三定律的推论。因此，把运动三定律作为一个整体，并把它们确认为动力学的基本定律和经典力学的基石之一，这个功绩应当归于牛顿。

牛顿确立基本三定律和发现了万有引力定律是互相促进，相辅相成的。牛顿只有道德认识了运动的变化和力的关系之后，才可能建立万有引力定律。同时，在太阳系中，两个天体相互作用的引力计算的检验，严格地说，应综合考虑各个天体相互作用的因素。因此，第三定律就成了万有引力定律的重要前提。而且，如前面所指出的。微积分也可以说是应建立万有引力定律的需要而创立的。由此可见，构成经典力学的几个主要基石——运动三定律、万有引力定律和微积分这个有力的工具等多项重大成就，可以说牛顿是作了综合考虑，一并完成的。

牛顿在光学方面的成就也是极其伟大的。早在1664年，牛顿还在学生时代，就作了关于日冕的观察，1666年，牛顿打到了一块三角玻璃棱镜，用它试验了用白光分解为有颜色的光。在牛顿之前，已有一些人使用棱镜对光的折射现象作过研究。但都认为是棱镜产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来。

牛顿在进行棱镜折射现象研究的同时，对改进折射望远镜发生了兴趣。在研究过程中，发现了球面像差和色差现象。同时代人卢卡斯采用了跟牛顿所用的不同品种的玻璃棱镜做实验时，得到的光谱的长度和宽度跟牛顿的实验结果有很大的分岐。由于牛顿那时碰巧使用了具有相等色散率的一个玻璃棱镜和水，他重复过多次测量，竖信自己没有弄错，没有考虑为什么人家会得出跟自己不同的结果。正因为他在这点上没有采用通常的谨慎态度，错过了一个重要的发现——根据不同物质具有不同的色散率的特性，正可以制成消色差透镜。

牛顿虽然没有在改进折射望远镜方面取得成就，但是他成功地研制了反射望远镜，成为反射望远镜的发明人之一。早先罗马人祖基法国的默森的苏格兰的格里戈里都进行过有关反射望远镜的设计，但都没有成功，牛顿是第一个制造反射望远镜的人。1668年，他造的第一个反射望远镜有六寸长，直径一寸，放大30到40倍。1672年，他送给皇家学会一个更大的反射望远镜，上面的题词是：伊萨克·牛顿发明并于1671年亲手制造的。就在这一年，牛顿被选为皇家学会会员。他提交给学会的一篇《光的颜色的新理论》的论文，提出了光的粒子性，这是牛顿的第一篇论文。不料，他的论点同皇家学会创始人之一、大科学家胡克的波动说冲突，于是引起了一场大论战（此场论战后来一直持续了近三百年，直到20世纪初才以光的波粒二象性为结论而告一段落）。牛顿从消极方面吸取那篇论文引起争论的教训，他给朋友的信上说：“¼¼我失去了平静而有意义的幸福生活，而被这无聊的争吵弄得心绪烦乱。这真是无聊透顶。我越来越后悔，不该轻率地发表那篇论文。“从此牛顿对自己著作的出版不再热心了，他把自己的研究成果写成手稿锁在箱子里，算是完成了任务。正如前面说过的，要是没有哈雷的积极鼓励，后来甚至像《自然哲学的数学原理》一书也许就不会出版了。

牛顿在光学方面进行了多方面的研究。除了前面所说的关于光的折射、像差和色差外，还发现了牛顿环，描写了光的衍射现象以及光的振动理论，提出了光的“猝发间隔”。这跟后来波动说中的波长相似。有人甚至说，牛顿实际上是测定光的波长的第一个物理学家（尽管他坚持光的粒子说）。牛顿在光学方面取得了如此大的成就，以致有人说，只凭牛顿在光学方面的贡献，就可以称得上是一位伟大的科学家。

牛顿在《自然哲学的数学原理》出版后，就投入了政治活动。1688年，他被选为议员，可是他没有辩才。在一次关于宪政辩论会上，牛顿只发过一次言——要求会场中的招待员关一关窗户。后来，英国因货币制度混乱，在国内外已失去信用，1696年，当时任财政大臣的牛顿的同学蒙特洛请他当了造币局督办，牛顿极其守职，工作很有成效。1699年，牛顿任造币局局长。

1692年，发生了一件很不幸的事件。某晚，牛顿外出未熄灭蜡烛，可能是猫儿闯的祸——打翻了烛台，把他多年积存的论文和著作化为灰烬。

1703年，即胡克逝世的这一年，60岁的牛顿被推为皇家学会会长。1704年，牛顿的《光学》一书问世。同年，又出版了《三次曲线枚举》、《利用无空级数求曲线的面积和长度》、《流数学（微积分）》等数学著作。

说起微积分的创始，牛顿和德国数学家莱布尼兹之争曾引起一场争论。牛顿早在1665年5月20日手写的一页书稿中就有“流数术”的记载，由于牛顿一直把书稿锁在箱子里，以致流数术直到1687年才首次公开出现在《自然哲学的数学原理》中。而莱布尼兹的微积分是在1684年（牛顿的《自然哲学的数学原理》出版前三年）在杂志上就公开发表了。牛顿和莱布尼兹是各自独立地创建微积分学的。牛顿在世时，莱布尼兹和他曾有过友好书信交往，切磋学术。只是由于1699年瑞士人丢利埃硬说是莱布尼兹剽窃了牛顿的成果，1700年莱布尼兹才著文反驳。尔后出于民族偏见，在牛顿和莱布尼兹的门徒之间，才展开了一场绵延100多年的无谓争论。

1705年，英国女王授给牛顿爵士头衔。1711年，牛顿发表了《使用级数、流数等等的分析》。1727年3月，84岁的牛顿出席了皇家学会的例会后突然病倒，于当月20日逝世。牛顿终生未娶。他作为有功于国家的伟人，葬于威斯敏斯特教堂。

牛顿在自然科学领域内作了奠基有贡献。他继承了英国唯物主义的始祖培根重视归纳法有传统，主张科学研究要通过实验发现现象，然后运用归纳法总结为定律，再用数学推演建立理论体系。《自然哲学的数学原理》一书正是这样写成的，这无疑是一种重要的科学方法，对后来的科学发展起了很大的促进作用。牛顿的哲学思想基本上属于自发的唯物主义，由于他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，特别是到了晚年，埋头于写以神学为题材的著作，在唯心主义道路上越走越远，以致堕落为一个宗教狂。当他无法解释行星的切向运动，竟提出了“神的第一推动”的谬论。对此，恩格斯曾指出：“哥白尼在这一时期的开端给神学写了挑战书，牛顿却以关于神的第一次推动的假设结束了这一时期。”

牛顿对自己的科学成就是怎样认识的呢？他说：“我不知道世上的人对我怎么评价。我却这样认为：我好象是站在海滨上玩耍的孩子，时而拾到几块莹洁的石子，时而拾到几片美丽的贝壳并为之对欣。那浩瀚的真理的海洋仍然在我的前面未被发现。”“如果我所见的比笛卡儿要远一点，因为我是站在巨人们的肩膀上的缘故。”牛顿的这种谦虚精神永远值得后人敬仰和学习。