自然哲學的數學原理

《**自然哲學的數學原理**》（拉丁語：_Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica_），是英國科學家艾薩克・牛頓的三卷本代表作，成書於 1686 年。1687 年 7 月 5 日該書的拉丁文版首次出版發行。牛頓本人之後又分別於 1713 年與 1726 年進行了兩次修訂。1729 年由班傑明・莫特將其譯成英文付印，就是現在所見流行的英文本。各版均由牛頓本人作了增訂，並加序言。後世有多種文字的譯本，中譯本出版於 1931 年。

該書的宗旨在於從各種運動現象探究自然力，再用這些力說明各種自然現象。牛頓在書中首次提出牛頓運動定律，奠定了經典力學的基礎。牛頓也是在此書中首次發表了萬有引力定律，還給出了克卜勒行星運動定律的一個理論推導（克卜勒最早給出的只是經驗公式）。《自然哲學的數學原理》被認為是「科學史上最重要的論著之一」。

1747 年法國數學家、物理學家亞歷克西斯・克勞德・克萊羅稱「《自然哲學的數學原理》標誌著一個物理學革命的新紀元。偉大的作者牛頓爵士在書中採用的方法…… 使數學的光輝照亮了籠罩在假設與猜想的黑暗中的科學。」雖然牛頓的思想在當時沒有立即被接受，在它出版一個世紀後，「沒人可以否認（從《自然哲學的數學原理》中）誕生了一門新的學科，這門學科（至少在特定方面）遠遠超越了它之前的一切事物，成為科學規範的最佳典範。」

為了完整描述其物理理論，牛頓發展且使用了新的數學理論，包括了現代稱之為微積分的領域。牛頓偏重通過繪製圖形的方法來證明，多採用通過消去高階無窮小量取極限的幾何證法。。在《原理》中關於微積分，牛頓稱其為「流數」。

牛頓還在《自然哲學的數學原理》的修訂版中提出了他的名言「不作假設 (_Hypotheses non fingo_)」。

## 內容

### 概要

在《原理》的序言裡，牛頓寫道：

《原理》主要研究巨觀物體在不同條件下（例如不同的受力情況，在零阻尼或阻尼介質中），按照不同力學定律的運動情況，以此得出在自然界中真正的力學定律。《原理》嘗試著給出天體與普通物體在理想情況和實際情況下所遵守的運動定律。書中還討論了物體在多個引力作用下的複雜運動。本書第三章解釋了對行星與衛星運動的觀測結果，利用天文觀測數據印證了萬有引力的平方反比關係（在牛頓的時代看來達到了很高的精度），還推導出了當時已知的各大行星相對於地球或太陽的質量，確定了太陽相對於太陽系質心的緩慢移動，解釋了地球為扁球體的原因，解釋了由月球引力引起的赤道上兩分點的歲差，提出太陽和月球引力的變化和擾動是形成潮汐的原因，從理論上解釋了軌道扁長接近拋物線的彗星的一些特殊現象。也許是由於《原理》以簡潔的形式，系統地解釋了如此多的自然現象，即使在今天，它還被視作物理學的代名詞。牛頓提出的分析方法在今天被稱作綜合與分析法。

《原理》的序言中以修訂版和附錄的形式收錄了他在 1684 年所作 De motu corporum in gyrum 中的全部內容。

《原理》以「定義（約定）」和「公理或運動的定律定律」開篇，正文包括三卷：

### 第一卷 論物體的運動

全書第一卷「論物體的運動」（拉丁文：De motu corporum）研究物體在無阻尼環境中的運動。第一部分題為「論用於此後證明的最初比和最終比方法」，介紹了無窮小微積分幾何形式的數學闡述。

第二部分 (命題 1-10) 給出了向心力與面積率（現稱作「克卜勒第二定律」）的關係（命題 1-3），推出了圓周運動中速度、曲率半徑與徑向力的關係 (命題 4), 還提出物體在受到遵從平方反比定律的力作用下沿圓錐曲線軌道運動。

第三部分到第六部分 (命題 11-31) 討論了物體沿圓錐曲線（例如橢圓）軌道的運動的性質及其與平方反比定律的關係。牛頓還在這一部分中提出了牛頓橢圓定理（引理 28）。

第九部分（命題 43-45）中牛頓證明，受向心力沿拱點改變的偏心軌道運動的物體，只要其遠地點與近地點連線方向不變，可說明物體受平方反比力。

第十一部分 （命題 57-69）討論了「以向心力相互趨向的物體的運動」。這一部分主要關於這一理論在理解太陽系中的應用。牛頓還在這一章中（命題 66）初步探討了三個巨觀物體在彼此間引力作用下的運動。這一問題後來被稱作「三體問題」。

第十二部分 （命題 70-84）討論了「球體的引力」。這一部分中，牛頓證明了質量球對稱分布的球形物體對球外產生的引力相當於其所有質量集中於球心時產生的引力。這一結果使得平方反比定律能夠較準確地應用於對太陽系的計算中。

### 第二卷 論物體的運動

牛頓將原定收錄於第一部分中的一些主要討論物體在阻尼介質中運動的內容單獨分離出來構成第二卷。在第一卷中牛頓主要討論了物體在不同引力定律作用下的運動，在這一卷中他討論了物體在不同摩擦定律下的運動。第一部分討論了正比於物體速度的摩擦力，第 2 部分則研究了加入正比於速度平方的摩擦力後的結果。第二卷 (第 5 部分) 中牛頓還探討了靜止流體和可壓縮流體的性質。第 6 部分中牛頓討論了空氣阻力對單擺運動的影響，還介紹了他自己完成的一些相關實驗（在不同情況下觀察單擺的運動以研究空氣阻力的性質）。牛頓在這卷中對比了介質對不同形狀的物體的阻力，試圖由此推出介質中的音速，並描述了驗證實驗的結果。

第二卷經得起時間考驗的內容不如另兩卷那樣多。第二卷的寫作目的被認為是反駁笛卡爾的理論。笛卡爾認為行星的運動是由於受到宇宙間的巨大漩渦的帶動。在第二卷結尾處（命題 53）牛頓指出漩渦理論是與天文觀測結果完全矛盾的。

### 第三卷 論宇宙的系統

題為「論宇宙的系統」（拉丁文：De mundi systemate）的第三卷主要關於萬有引力（特別在天文學方面）的影響與意義。本卷以前兩卷中的命題為基礎，並將這些理論具體應用於解釋觀測到的太陽系天體的運動。Proposition 22 和命題 25-35 中研究了月球運動軌道的特點，特別提到了月球軌道的潮汐演變。在本卷「天象」部分中，牛頓列出了他所引用的天文觀測的數據，並逐步推導出平方反比定率在太陽系天體運動中的體現。這一部分從討論木星衛星開始，然後逐步證明這一理論是普適的。在引理 4 和命題 40 中牛頓提出了彗星運動的理論，這一部分中的大多數數據來源於約翰・佛蘭斯蒂德和哈雷的觀測記錄。本卷中牛頓還嘗試著定量計算了太陽和月球引理對潮汐的影響，並提出了分點歲差的理論。本卷還包括了三維諧振子和在任意力下的運動。

本卷中牛頓明確提出了他的以太陽為中心的太陽系理論，早在 17 世紀 80 年代中期他就發現，太陽並不位於太陽系的質心處。牛頓認為，地球、太陽與所有行星的公共質心是世界的中心，（命題 12, 系理），這一質心「靜止或作勻速直線運動」（命題 11）。牛頓認為後者是不可能的因為「世界的中心也將是運動的，與假設矛盾。」牛頓估算了太陽與木星和太陽與土星的質量比（命題 8，系理 2），並指出這使得太陽略偏離上文所提到的質心「略小於太陽直徑的距離」（命題 12）。

牛頓在《原理》中建立動力學時給出定義的順序對許多現代教科書影響深遠。牛頓先給出質量的定義：

之後牛頓利用質量定義了動量和慣性定律（用質量代替了笛卡爾的「慣性力」概念）。然後動量的改變又可以用來定義力。牛頓當時定義力為動量的改變而非現在常用的動量隨時間的改變率。

牛頓定義時間與空間「與日常生活中的概念不同」，而是「絕對的」「真實的」時間：

現代讀者們可能會發現，牛頓在《原理》中使用了一些未命名的現代動力學量。前兩卷的數學證明部分十分明晰，使得這些概念得以被接受。例如約翰・洛克曾詢問惠更斯能否相信書中的數學推導，得到了肯定的回答。

然而，牛頓提出的超距作用的引力在當時並沒有被廣泛接受。在筆記中，牛頓稱平方反比定率是由物質結構自然而然地地推出的。然而，在出版時這句話被刪掉了，代之以平方反比定率是與行星運動一致的表述而且牛頓沒有給出他的想法的來源。惠更斯和萊布尼茨發現這是與笛卡爾的以太觀念相矛盾的。牛頓則宣稱他的理論在數學上與實際觀測相吻合，所以必定是正確的，但仍拒絕給出引力本質的解釋。由於牛頓的理論跟實際天象吻合得如此之好，後來的物理學家們都接受了《原理》中所採用的數學物理方法。

#### 研究哲學的規則

也許是為避免書中內容遭到誤解，在第二版和第三版出版時，牛頓在第三卷中增加了一部分，題為「研究哲學的規則」。其中牛頓提出了四條規則，說明了他所用於研究解釋未知現象的方法論。四條原則如下：

* **第一規律：求自然事物之原因時，除了真的及解釋現象上必不可少的以外，不當再增加其他。**
* **第二規則：所以在可能的狀況下，對於同類的結果，必須給以相同的原因。**
* **第三規律：物體之屬性，倘不能減少亦不能使之增強者，而且為一切物體所共有，則必須視之為一切物體所共有之屬性。**
* **第四規律：在實驗物理學內，由現象經歸納而推得的定理，倘非有相反的假設存在，則必須視之為精確的或近於真的，如是，在沒有發現其他現象，將其修正或容許例外之前，恆當如此視之。**

這一部分後是以「天象」為題的一章，牛頓在其中列舉了大量天文觀測數據。「規則」和「天象」在不同版本的《原理》中改動較大。第 1-3 條規則的雛形在第一版中就已存在，在第二版中正式作為一章單列。規則 4 則直到第三版時才被加上。第一版中這些規則和「天象」中的大量數據收錄在題為「假說」的一章中。

在第三版中，牛頓對這些規則做出了解釋，並給出了一些例子。第一條原則是科學家應當用儘量簡單精闢地描述事物（參見「奧卡姆剃刀」）。第二條則指出，類似的事物很可能有相同的誘因（牛頓列舉的例子是「人與畜之呼吸，歐洲及美洲之隕石下墜，爐火之光與太陽之光，光在地球上及其他行星上之反射」）。 第三規則給出了通過觀測結果歸納物體性質的方法。第四規則則說明了通過實驗得出的定律的正確性。

牛頓的四條原則引發了認識自然的方法的一場革命。通過運用這些規則，牛頓得以開始研究未解的謎題。牛頓用他的分析方法取代了亞里斯多德的方法，並同時改進了伽利略的實驗方法。直到今天牛頓的分析方法在科學研究中仍被廣泛使用。

#### 總釋

總釋是 1713 年第二版《原理》出版時新加的總結性內容，在 1726 年出版第三版《原理》時又作了修訂。

在「總釋」中，牛頓寫下了他的一句名言：「我不做假設。」（'Hypotheses non fingo'）, 以此反擊第一版《原理》所遭致的批評。當時的人們認為牛頓提出的超距作用的萬有引力在科學中引入了不可知力。牛頓反對這些批評，並認為實際的觀測結果已經證明了萬有引力的存在但沒有顯示這些力的來源。而且他拒絕對這個力的起因提出假設，因為這樣的假設「在實驗科學中並沒有存在的意義」。他認為實驗科學應當「從現象推出具體結論並通過歸納法推廣到一般情況」。

牛頓還強調了他對笛卡爾行星運動的漩渦理論的批評，指出這與對那些軌道為扁長橢圓的彗星的觀測結果相矛盾因為這樣的話，彗星將「穿過天空的所有部分。」

在總釋中，牛頓還討論了他的世界觀。他認為存在一位上帝（類似智能設計論）。有研究指出牛頓「含蓄地表示支持一神論而反對 ' 三位一體 ' 的教義」，但並沒有在總釋中明確地討論這一問題。

## 歷史背景

### 科學革命的開端

1543 年，尼古拉・哥白尼出版《天體運行論》一書，提出「日心說」，地球不再被認為是宇宙的中心。1609 年，約翰內斯・克卜勒在著作《新天文學》中舉證說明行星沿以太陽為一個焦點的橢圓軌道運動，且行星與太陽的連線在相同的時間內掃過同樣的面積。在之後出版的《世界的和諧》中，他又添加了第三條定律，即行星公轉周期的平方與其軌道半長軸的三次方成正比。這三條定律被統稱為克卜勒三定律。

伽利略在他的著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中引入了慣性的概念，以此奠定了現代動力學的基礎。同時，伽利略的斜面實驗闡述了勻速運動物體與勻加速運動物體加速度、速度和位移與時間的關係。

笛卡爾於 1644 年在《哲學原理》中提出，物體通過某種聯繫相互作用。他假設存在某種物質以太作為世間萬物相互作用（包括光與重力）的載體與媒介。他還錯誤地解釋了圓周運動，這後來被認為是慣性定律導致的難題。這一問題於 17 世紀 50 年代被惠更斯所解決，他隨後就這一問題寫了一本專門的著述。

### 牛頓的角色

大學期間牛頓曾對上述著作進行了研究，並做了一本題為《若干哲學問題》（拉丁文：Quaestiones quaedam philosophicae）的手記。在此期間他創立了微積分的基礎，並進行了關於顏色的光學研究。他利用稜鏡證明了白光是由其他色光組合而成的，推翻了當時的主流理論並得到廣泛承認，這也導致了他與胡克的激烈爭論。許多論文和信件提到了他對微積分的研究，包括兩封與萊布尼茨的通信。他成為了英國皇家學會的成員和巴羅之後第二任盧卡斯教席教授。

### 牛頓早年對運動學的研究

17 世紀 60 年代牛頓研究了碰撞中的運動學問題，推導出碰撞物體的質心做的是勻速運動。在現存的牛頓手稿中可以看到，牛頓還對行星的運動進行了研究。他在 1669 年的手稿中指出，做圓周運動的行星所受離心力與行星到圓心的距離平方成反比。在他 1679 年到 1680 年與胡克的通信中，牛頓採用了「向心力」的概念。「離心力」與「向心力」的觀點雖然有很大區別，但其平方反比定率的證明方法是相同的。在信件中牛頓還提到了把切向與徑向位移相結合，這是他在 17 世紀 60 年代提出的思路。同時基於笛卡爾在 1644 年的研究，牛頓還闡述了慣性與質量的正比關係。

## 後續修訂

牛頓之後又對《原理》進行了修改，出版了兩個版本：

### 1713 年第二版

從 17 世紀 90 年代早期開始，牛頓就開始著手編寫《原理》的新版本。他這樣急切的部分原因是《原理》第一版出版後幾年就全部賣完了。 在 1694 年與弗拉姆斯蒂德的通信中，牛頓提到了他出版第二版的計劃。牛頓準備了一些帶有插頁的第一版《原理》，使他可以寫下他的注釋。這些帶插頁的《原理》現存兩本。直到 1708 年牛頓才完成他的修訂，原先考慮的兩個編輯中，Fatio de Duillier 與牛頓斷了聯繫，而牛頓對戴維・格里高利也不太滿意，後者更於 1708 年病逝。於是，牛頓認識到新版本的出版不能再有拖延了。 劍橋大學三一學院的院長理察・本特利說服了牛頓由他負責第二版《原理》的出版。1708 年 6 月，本特利給牛頓寄了一份樣稿，同時表示希望牛頓能儘快完成修訂工作。Bentley 似乎也認識到了編輯工作對他而言過於困難，於是在徵求牛頓的意見之後，他找來時任三一學院布盧米安天文學教授的羅傑・柯特斯協助進行編輯工作。同時出版和財務諸事宜仍由本特利負責。柯特斯 1709 年到 1713 年間的信件中提到，他同時受牛頓與本特利指揮，完成了一大部分新註解的校對工作。雖然有科特斯的大力協助，但由於牛頓與萊布尼茨（就發明微積分）的優先權之爭和牛頓在造幣廠任職時面臨的諸多問題，第二版《原理》直到 1713 年 6 月 30 日才得以出版。本特利只給牛頓送了 6 本樣書，沒有給科特斯任何報酬。牛頓也沒有對科特斯表示感謝。

除科特斯之外，菲爾曼・阿鮑齊特和戴維・格里高利都參與了第二版《原理》的編寫，但由於優先權之爭，牛頓沒有提及其中一些人的貢獻。

### 1726 年第三版

在經驗豐富的出版商亨利・彭伯頓的運作下，第三版《原理》於 1726 年 3 月 25 日出版。他後來說，對他而言出版《原理》所獲得的名聲遠大於牛頓付給他的 200 畿尼。

### 註解版和其他版本

1739 年至 1742 年間，兩個法國牧師 Pères Thomas LeSeur 和弗朗索瓦・雅基耶在讓 - 路易・科埃略的幫助下出版了一本第三版《原理》的注釋版。這一版本也被稱為「耶穌會注釋版」（兩位牧師常被誤認為是耶穌會成員）。這一版本廣泛流傳，19 世紀時在蘇格蘭多次重印。

杜夏特勒侯爵夫人把《原理》翻譯成了法語。與耶穌會注釋版不同，這一版本忠實翻譯了牛頓《原理》的序言與三章內容還附上了自己寫的一篇較為淺顯易懂的總結概要。在新添的一章里，她將微積分應用於書中理論的證明。這一版本目前仍被認為是《原理》的標準法語譯本。

《原理》有三個英譯本，均譯自第三版《原理》。牛頓研究者 I・伯納德・科恩稱 1729 年 Andrew Motte 的版本「很好的保留了牛頓詞句的原意，對研究牛頓的觀念具有重大意義。忠於原著：簡明易懂，用詞考究。」但這一版本對現代讀者而言，由於其用詞、標點規範略有不同，存在一定閱讀困難。包括 1934 年現代英語版《原理》在內的許多版本都以這一版本為基礎。1934 版《原理》的編輯是 Florian Cajori，Cohen 認為這一版本存在脫離原著的問題。

另一個《原理》的英譯本由 I. Bernard Cohen 與 Anne Whitman 於 1999 年合作完成，這一版本帶有方便讀者閱讀的引言與簡介。1996 年 William H. Donahue 也出版了一種譯本，用作安納波利斯聖約翰學院的教材。這一版本力求忠實於拉丁文原著。

## 現存複本

許多國立圖書館的珍本庫中都藏有《自然哲學的數學原理》的原本：

* 劍橋大學三一學院圖書館藏有一本第一版的《自然哲學的數學原理》。該書為牛頓個人藏書，附有牛頓為第二版所做的一些標註。
* 劍橋 Whipple 科學史博物館 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）藏有胡克所藏的第一版《自然哲學的數學原理》。
* 劍橋麥格達倫學院佩皮斯圖書館藏有塞繆爾・皮普斯的第三版《原理》。
* 雪梨大學的費雪圖書館藏有一本第一版《原理》，書中有牛頓本人與一名不知名數學家的批註。
* 倫敦大學學院圖書館在珍本庫 E 室中有一本複本。
* 威斯康星大學麥迪遜分校紀念圖書館中有一本複本。
* 德克薩斯大學奧斯汀分校哈利・蘭塞姆中心藏有兩本第一版《原理》，其中一本帶有手寫注釋。
* 威廉與瑪麗學院厄爾格雷格思維木圖書館藏有第一版《原理》。[2]
* 史丹福大學 Frederick E. Brasch 牛頓資料庫藏有第一版《原理》。[3] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 喬治亞理工學院藏有第一、二和三版的《原理》。
* 克勞福德資料庫 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, housed at the 愛丁堡皇家天文台藏有第一版和第三版的《原理》。
* 烏普薩拉大學圖書館藏有一本第一版《原理》，該書於 20 世紀 60 年代失竊並於 2009 年被歸還。 [4]
* 密西根大學珍本圖書館 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）藏有 1687 年第一版，1713 年第二版，1726 年第二版修訂版，1723 年無編號版與 1726 年第三版《原理》。
* 英國皇家學會藏有約翰・佛蘭斯蒂德所藏的第一版《原理》和《原理》第一版的無插圖手稿。
* 波士頓學院 Burns 圖書館藏有 1723 年出版的《原理》，介於第二版與第三版之間。
* 伍斯特理工學院 George C. Gordon 圖書館藏有第三版《原理》。[5]
* 位於特隆赫姆的挪威科技大學藏有第一版《原理》。
* 哈佛大學 Quaker & Special 資料庫藏有第一版《原理》。
* 溫切斯特公學圖書館藏有第一版《原理》。
* 牛津大學耶穌學院圖書館藏有第一版《原理》。
* 牛津大學莫德林學院舊圖書館藏有第一版《原理》。
* 牛津大學新學院圖書館藏有一本《原理》，還藏有一本 1972 年 Alexandre Koyré 與 I・伯納德・科恩出版的《原理》的摹本（該摹本基於 1726 年第三版，但帶有一些之前版本的內容與注釋）。

## 參見

* 伽利略・伽利萊
* 勒內・笛卡兒
* 羅伯特・胡克
* 克里斯蒂安・惠更斯
* 牛頓旋轉軌道定理
* 奈端數理

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

### 拉丁文版

* 1687: Newton's 'Principia', first edition (1687, in Latin) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.Gunnerus 圖書館所藏版本的高清版本。
* 1687: Newton's 'Principia', first edition (1687, in Latin).
* Babson College Archives & Special Collections 三個不同版本 (1687 年版，1713 年版，1726 年版).
* Principia (in Latin, annotated). 1833 年格拉斯哥重印評註版

### 英文版

* 1729: Newton's 'Principia', first English translation, vol.1 with Book 1.
* 1729: Newton's 'Principia', first English translation, vol.2 with Books 2 and 3. (第三卷在 第 200 頁處.) （Google 標籤有誤）
* 1846: "American Edition" of Newton's 'Principia' in English, printed with other works 現代英語版本，基於 1729 年英文版。附帶 N.W.Chittenden 著《伊薩克・牛頓爵士的一生》。

### 其他連結

* 牛頓《自然哲學的數學原理》的出版（1687 年 7 月 5 日） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 英文版 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）