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在亚里士多德的宇宙生态系统中，下落是一种特殊的行为，宇宙中只有特定位置的特定物体才会有这种行为。下落是诸多不同类型的运动和变化中的一种，不仅与潮汐无关，与行星和其他天体的圆周运动也无关。下落是地球上的物体通过内力回到自然位置的自然运动。因此，下落的原因涉及物体的组成、物体在地球上的自然位置以及物体回到自然位置的倾向。在亚里士多德的影响之下，很长一段时间内，人们都认为物体向地球的坠落只是宇宙中几种不同的“引力”和运动之一。同样，人们也相信他的观点：物体下落的速度取决于其本身的重量。毕竟这一点可以由人们的日常生活体验得到证实。在汤姆·斯托帕（Tom Stoppard）的电影《君臣人子小命呜呼》（Rosencrantz and Guildenstern Are Dead）中，罗森克兰茨（Rosencrantz）手里拿着一个球和一根羽毛，两者位于同一高度，说：“你可能会觉得这个比这个下落得快（同时松手让两者下落，球先着地）。那你绝对是正确的。”
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但有些古代学者却与亚里士多德意见相左，他们提出天地的现象之间存在着各种各样的联系，其中最明显的就是月亮和潮汐。亚里士多德曾努力尝试从力学上对潮汐运动作出解释，他还在解释中引入了风，但其他人认为这种联系从某种意义上来说是直接的。希腊学者波西杜尼斯（Posidonius，约公元前135—前51年）和其他几个古代学者提出了不同于亚里士多德的力的概念。他们认为力渗透在宇宙之中，与任何物质（亚里士多德认为物质是唯一真正存在的事物）都无关，但却将物质联系在一起。这种宇宙力被命名为“交感力”，在希腊语中是“相互感应”［1］的意思。
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在古代和中世纪，人们把探讨天体之间、天体和地球之间的物理作用的学问称为“占星学”。我们一定不能把“占星学”与现代社会所见的“迷信”相混淆。“迷信”似乎赋予了信奉者这样一种能力：仅通过人的出生时日就能预先判断出其性格。当然，古代和中世纪的占星学家中也不乏有些冒牌货，专做此类勾当。但是，占星学确有其严肃的一面：它合理地假定宇宙中存在着将某些物体与其他遥远物体联系在一起的物理作用，并坚信这些物理作用是可以研究和描述的。科学史学家戴维·林德伯格（David C. Lindberg）曾说过：“几乎所有的古代哲学家都认为否认这些联系的存在是极其愚蠢的。”［2］占星家们的工作最初对远程力概念的提出发挥了巨大的正面作用。［3］
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然而，如何对这些联系（诸如物体的下落）加以解释仍是令人困惑的问题。力究竟是落体本身的一部分，还是独立于落体之外单独存在的呢？抑或是别的什么东西？1504年，尼古莱多·维利阿斯（Nicoletto Vernias）在写到自由落体时说：“这是物理学上最难的一个问题。”［4］
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1543年，尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernius, 1473—1543年）对该问题加以转换，出版了《天体运行论》（On the Revolutions of the Heavenly Spheres）一书。哥白尼在书中指出太阳系的中心是太阳，而不是地球。据说这本书在作者临终时才得以出版。虽然该书假设力是由上帝嵌入在物体之中的，但它却对宇宙力的研究者产生了极大的影响。它说明地球上的物体的重力在宇宙中并不是唯一的，在绕着太阳运行的其他天体上也可能会有重力的存在，月球如此，甚至太阳也如此［5］。所有的物体都有重力。
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宇宙力思想的另一个里程碑是威廉·吉尔伯特（William Gilbert）的磁力论文《论磁》（De Magnete，1600年）。很明显，磁力的产生是由于地球和各种物质间存在着相互作用。吉尔伯特同时还发现磁力大小随距离大小而变。他还怀疑即便物体处于静止状态，磁力也是存在的。吉尔伯特认为，那种认为静止物体不受磁力影响的想法就像是认为房子由墙壁、屋顶和地板掌管，而不是由住在房中的人掌管那般可笑。
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约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler，1571—1630年）在哥白尼和吉尔伯特的基础上，试着从数学上描述太阳和行星间的宇宙力。因为转而从事数学工作的关系，开普勒的早期神学研究意外中断了。他本人也形成了一种与占星学矛盾的关系。与其他占星学家一样，开普勒热衷于和谐遍布宇宙的思想，认为宇宙依赖于上帝建立起来的和谐。但他对占星学家的方法却抱着轻蔑的态度。这些人在研究中采用的是日常生活式的语言，对专业天文学家所采用的精确数学语言一无所知。开普勒认为：如果没有数学，占星学家就探测不到宇宙中的和谐，因此也就会忽视世界的结构。
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开普勒是第一个提出光的强度是依照平方反比定律变化的。平方反比定律叙述的是某个特性随着距离的平方而减小。以光的强度为例，光线是从光源向着各个方向辐射的，即是依据简单的几何学规律辐射的。如果将光源的辐射距离加倍，光线分布的平面面积就会变为原来的4倍（光强变小）。如果将距离变为原来的3倍，面积就变为原来的9倍。
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开普勒的天文学思想借鉴了哥白尼和吉尔伯特的思想。他从哥白尼那里借用了太阳系的日心说思想和重力是引力的思想。实际上，开普勒曾基于哥白尼的天文学写过一本著名的七卷本教科书——《哥白尼天文学导论》（Epitome to Copernican Astronomy，1618—1621年）。开普勒从吉尔伯特那里借用了涉及“相互”吸引的力的思想。即便地球是向着石头移动的，石头也还是会向着地球移动。如果两块石头之间相隔一定距离，两者就会相互吸引，且吸引力的大小随着距离的增加而减小。行星与太阳之间的距离越远，引力就越小，行星运动的速度就越慢。但是开普勒给出的结论是太阳与行星之间的引力并不是向着各个方向辐射开去的，而只是延伸到在轨道上运行的行星上。既然引力存在的“目的”只是要“抓住”地球，那么它为什么还要沿着各个方向辐射出去呢？因此，开普勒推出结论：力的大小与行星离太阳的距离成反比，而不是与距离的平方成反比。
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在平面上向着一个方向延伸的力将随着离源距离的增大而减小，而沿着各个方向传播开去的力将随距离平方的增大而减小，此即平方反比定律
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但是，开普勒在尝试提出控制行星轨道运动的数学关系时却遇到了一个疑惑。按照哥白尼的理论，行星沿着圆形轨道绕太阳公转。这是因为自亚里士多德的时代以来，人们一直认为天体的运行轨道是圆形的。但是，在人们于1609年开始将望远镜用于天文学之前，当时的最好数据是由丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601年）测得的。开普勒知道有这些数据，对其深信不疑。但这些数据却不能很好地与圆形轨道模型相吻合。两者之间的偏差很小，只差了8分［6］，只比肉眼的分辨率稍大一点，可以说几乎是无关紧要的。开普勒花了6年时间尝试将这8分的角度考虑进哥白尼的体系中去，但没有成功。
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其他人考虑到观测误差和某些未知因素，略去了该偏差。但是开普勒对哥白尼的日心说模型和布拉赫的数据均深信不疑。正因如此，开普勒才提出了一个全新的思想：行星的运行轨道并不是圆形的，而是椭圆形的，太阳位于椭圆的一个焦点上。他还进一步得出结论：虽然行星距离太阳较近时运行速度较快，距离太阳较远时运行速度较慢，但是太阳与行星的连线在相同的时间内扫过的面积是相同的。上述结论就是开普勒三定律中的前两个。开普勒第三定律叙述的是另外一个数学关系：任何两个行星公转周期的平方都与它们离太阳距离的立方成正比。［7］
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开普勒发现这些定律不仅很美，而且相互之间还是协调的。他还认为这种美和协调是上帝用这些定律来构建宇宙的根本原因。哲学家伯特（E. A. Burtt）曾说：“这种因果关系的思想本质上是以严格的数学形式对亚里士多德的形式因重新阐述的结果。”［8］开普勒将行星和太阳之间的引力看作不朽的自然力。他曾这样写道：“如果你用‘力’取代‘灵魂’，就可以得出与（我的）天体物理基础一样的理论来。我曾坚信灵魂就是行星运行的动力。但考虑到这个动力随着距离的增加而减小，我推断它是有形的。”［9］开普勒在行星-太阳引力的“灵魂说”与“有形说”之间的顺利过渡正好是法国哲学家奥古斯特·孔德（Auguste Comte）所谓的“神学思考与形而上学思考之间的过渡”的一个经典印证。
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有形力究竟是什么？人们在整个17世纪的大部分时间里对此争论不休。笛卡儿等人认为有形力是纯粹力学的，是微小运动（称为涡旋）在流体样物质（叫作以太）中的产物。整个太阳系就浸没在以太中。［10］伽利略则倾向于完全不去讨论重力的实质，转而集中去测量重力的定量效应。这就是孔德所谓的进入科学思考的一步：给出数字就可以了。
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1645年，法国天文学家伊斯迈尔·布里奥（Ismael Boulliau，1605—1694年）偶然发现了计算力的大小的公式，可他后来又否定了这个正确的公式。布里奥是科学史上一个颇具魅力的人物。他因思维多变，并设计出准确的天文表而广为人知。他是最先接受开普勒的“行星沿椭圆形轨道运行”思想的天文学家之一，同时也是最后仍严肃看待占星术的天文学家之一。所以，布里奥对开普勒和开普勒对数学的运用进行了抨击。他从占星学出发，强烈反对开普勒的结论——行星的运动是由来自太阳的、与人无关的力控制的，且力的大小随着距离的增加而减小。他对开普勒的荒谬思想嗤之以鼻，说如果存在这样的力，那么这个力就会像光一样，向着各个方向延伸开去。这意味着力的大小将与距离的平方 成反比。而这显然是很荒谬的！他不相信上帝会这样来安排。［11］
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然而，其他一些科学家认识到行星和太阳之间的力可能的确是向着各个方向延伸开去的。也就是说“平方反比定律”不仅未必荒谬，而且的确可能存在于太阳和行星间的力当中。不过他们认为这种关系可能是离心力和向心力之间“拉锯战”的结果。这个结果就是平方反比定律。他们还猜想从平方反比关系中可以推导出开普勒定律。
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罗伯特·胡克（Robert Hooke，1605—1703年）就是上面这些科学家中的一员。胡克是伦敦皇家学会的实验主管。他于1674年提出在地球和其他天体中都存在“指向各自中心的引力”。这个引力不仅作用于天体自身，而且还会作用于“有效球体作用范围”内的所有其他天体。作用力的大小与天体之间的距离有关。［12］但胡克的数学功底欠佳，无法由此假设计算行星的运动。1679年，仍在寻找问题答案的胡克写了一封信给身边一位有为的数学家——牛顿。胡克问牛顿对于他的“指向中心天体的吸引力”有什么想法？［13］1680年1月，经过与牛顿的几次通信之后，胡克提出引力的大小是按照平方反比定律变化的。他接着问牛顿，如果实际情况真是这样，能否计算出行星的运行轨道？
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无独有偶，1680年发生的几个事件激发了人们对天体运动的兴趣和研究天体行为的好奇心。一个事件就是天空中出现了一颗很大的彗星。英国著名天文学家艾德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656—1742年）对这颗彗星进行了观测。之后在1682年和1684年分别又出现了另外两颗彗星。现在知道，这两颗彗星就是“哈雷彗星”。此前，人们一直认为彗星是在太阳系中随机出现的外来天体，它们不受定律的约束。这种观点很快就发生了变化。
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1684年1月，在伦敦的一家咖啡馆，哈雷、胡克还有科学家和建筑学家克里斯托弗·雷恩（Christopher Wren，1632—1723年）爵士一起讨论了行星运行轨道的本质，以及能否用平方反比定律解释它。哈雷说他试过用该定律去计算行星的轨道，不过没有成功。胡克自夸说他计算出来了，不过拒绝向大家演示。雷恩有点不耐烦，同时心存怀疑。他于是向哈雷和胡克提出挑战：谁要是能在两个月之内给出演示，就奖给一本价值40先令的书。两个月的时间很快就过去了。当年8月，哈雷在剑桥大学再次见到牛顿时，与牛顿就该问题进行了讨论。这次讨论是牛顿一生中最具转折性的一个事件，由此也产生了西方科学和文化上最重要的事件之一——《自然哲学的数学原理》一书的出现。在这本书中，万有引力只是一个副产物。［14］
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人类思想中影响最深远的一个归纳
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古语说，法律就像香肠，最好别去看它们是怎么制作出来的——对法律的来由知之越少，就会越发尊重法律给出的结果。与其说这是一句真理，还不如说它是一句妙言。你预期的结果是什么？如果能够真正理解人类的创造力，那么理解味美香肠的做法和法律的制定也就不是难事了。不过，这一名言倒是点出了创造力一个令人好奇的矛盾之处：重大事物的源头也可能是很卑劣的。在人类智力所取得的胜利中，很少有人能像牛顿得出万有引力定律的过程一样，将这个矛盾展现得如此犀利。这个过程中既有巨大的野心、口头的空喊和纠缠的秘密，也有积蓄的嫉妒心和赤裸裸的谎言。不过，结果却是惊人地奇妙。理查德·费曼曾说：“这是人类思想中影响最深远的一个归纳。”［15］
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牛顿万有引力定律与第2章所讨论的力是在同一时期提出的。这项工作在牛顿还是剑桥三一学院的学生时就开始了。那时，牛顿常常在笔记本上匆匆记下自己对引力的各种评论。在有些评论中，牛顿把重力看成类似于原动力的能力。这种能力深居于物体内部，使物体发生运动。在其他一些处理天体运动的评论中，牛顿则融入了笛卡儿的解释：重力来自涡旋产生的粒子所造成的压力。在很长一段时间里，牛顿都接受离心力的思想——一个物体被另一个物体推开，就像拴在绳子上摆动的石头会受到绳子的拉力一样。
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此后的1680年，因为两个重要事件，牛顿的引力思想发生了深刻的变化。这两个事件一个是哲学的，另一个是数学的。哲学思想从“认为力的原动力是使物体发生运动的内部推动力”，转变为“运动是因受到外部物体施加的力而产生的”这样一种观点。与此同时，人们开始逐渐认识到重量和质量之间存在着差异（其实在牛顿之前，波义耳、伽利略和开普勒已经在不同程度上认识到了这一点）。人们之所以会认识到这种不同，是因为力是随着距离而变化的。重力随着与地表距离大小的不同而发生变化，在不同的纬度上，物体的重量不同。然而，质量作为物体运动的关键元素，却是不变的。
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