说起地球与宇宙天体之间的关系，就不能不说到牛顿，而说到牛顿，就很容易说起他在苹果树下见到苹果往下掉时所产生的问题：“苹果为什么往下掉？”
现在这个问题已经不是什么难题，答案也很简单：“因为有地心引力。”
但是，牛顿当年提出这个问题时，答案就不是这么显而易见了。最普遍和可能的回答是什么？你也许猜得到，这就是“因为苹果有重量”。
“有重量就会往下掉吗？”
这样，“苹果为什么往下掉”的问题就变成了“有重量为什么会往下掉？”
牛顿得证明这个答案。
当然，牛顿做到了。正是他发现了著名的“万有引力定律”，才揭开了牛顿物理体系的帷幕，探查到宇宙天体运行的奥秘。
1.2.1 万有引力
万有引力，又称重力相互作用，是由于物体具有质量而在物体之间产生的一种相互作用。它的大小与物体的质量，以及两个物体之间的距离有关。其大小与两物体间距离的平方成反比，与两物体质量的乘积成正比。任何两个物体之间都存在这种吸引作用。
万有引力的标准表述是：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引，该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态及中介物质无关。
万有引力不只是让苹果往下掉，它还维持宇宙天体的正常运行。牛顿当年也是在思考天体运行的问题时，才最终找到答案的。
万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。万有引力定律出现后，科学家们才正式把天体运动的研究建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。
F为万有引力；M1和M2为两个质点的质量；G为万有引力常数；R为两个质点的距离。
回到苹果往下掉的问题上来。可以简单地说，质量越大的东西产生的引力越大，这个力与两个物体的质量成正比，与两个物体间的距离平方成反比。地球的质量产生的引力足够把地球上所有有一定质量的东西全部抓牢。让它们向自己身上（地面）靠过来，所以无论是苹果，还是其他重物，只要失去支撑（如树枝）或动力（如飞行中的飞机发动机），就会掉在地面上。
牛顿最重要的著作《自然哲学的数学原理》虽然早在1687年就已经出版，但直到1931年才有中文译本出版，这就是商务印书馆出版的《自然哲学之数学原理》。
牛顿所完成的万有引力定律，经过科学实践的检验得到了普遍承认。著名物理学家周培源把这一检验过程归结为3点：第一，万有引力理论应能解释旧理论所能解释的一切现象；第二，新理论还应能解释已经发现的但却是旧理论所不能解释的现象；第三，也是最关键的一点，它还应能预言一些新现象，并且能为尔后的实验或观测所证实。
在这些考验中，第一个就是关于地球的形状。在运用万有引力定律解释岁差现象时，牛顿指出每一行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，星体应为两极扁平的球体。当时有人在赤道附近的卡因岛上观察到的摆钟变慢的现象，被牛顿看作赤道处引力场变小，即地球是个扁球体的证据。因此，赤道隆起部分将更接近太阳和月亮，两极的部位则相对远离太阳和月亮，两个部位受到的引力作用不同，这就使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心，导致地球的轴做一种缓慢的圆锥运动，造成了二分点的岁差现象，牛顿近似地估算出地球的扁率为1/230.18世纪30年代，当牛顿的学说传到法国，立即遭到巴黎天文台台长卡西尼（1677—1756）等人的激烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡假说和错误的纬度长度的测量，认为地球是两极凸出的长椭球体。
为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735和1736年先后派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高纬度的拉普兰德，在两地的经度圈上测量等角的一段弧长。测量结果基本上证实了牛顿的结论。拉普兰德队的领队莫泊丢和成员克雷洛后来都成为牛顿学说的支持者。
第二个考验来自哈雷彗星。在牛顿之前，彗星被看作一种神秘的现象，牛顿却断言，行星的运动规律同样适用于彗星。哈雷根据牛顿的引力理论，对1682年出现的大彗星（即后来命名的哈雷彗星）的轨道运动进行了计算，指出它就是1531年、1607年已出现过的同一颗彗星，并预言它将在1758年再次出现。1743年克雷洛计算了遥远的行星（木星和土星）对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于1759年4月经过近日点。这个预言果然得到了证实。
对牛顿万有引力理论最有力的支持是海王星的发现。18世纪末到19世纪初，人们发现对天王星的运动观测和理论之间存在着明显的偏差。英国青年学者亚当斯（1819—1892）在1843～1845年，法国天文学家勒威耶（1811—1877）于1845年，各自独立地根据牛顿理论进行了计算，预言了天王星轨道外的一个未知行星的质量、轨道和位置。勒威耶将他的计算结果写信告诉了柏林天文台的伽勒（1812—1910），伽勒于1846年9月23日夜间在预定的地点发现了一颗新的行星，这就是对天王星的运行产生规则的摄动作用的海王星。它的发现，被认为是牛顿万有引力理论的伟大胜利，因为像这种以新理论来精确地预言一颗未知行星的存在，并为1年后的天文观测所证实的事例，在天文学发展史上是前所未有的。
对于在地球上的人来说，由于相对于地球本身，地球上其他物体的体积很小，万有引力的相互作用表现为地球对其他物体的吸引力。地球对其他物体的这种作用力也叫作地心引力，其方向指向地心。
万有引力不只是维系地球上万物之间力的关系的力量，也是决定宇宙中星球之间的运行轨道的基本力能。以太阳系为例，在太阳系中，各大行星与太阳的距离和这些行星之间的距离的大小，是与各星球的质量、运动速度密切相关的。其中运动的速度是克服引力碰撞和保持天体在固定轨道运行的重要指标。那些小行星因为飞行速度不同和距离行星位置不同而面临飞过和撞向行星的两种命运，这时质量和速度都对其命运起决定性的作用，而速度是克服各种引力而改变物体相对位置的唯一因素。
1.2.2 力的三定律
牛顿的万有引力定律是建立在他对力的基本性质的研究基础之上的，也是分析和总结前人研究成果的结果。同时，牛顿有良好的数学修养，这对他精确地分析力的性质有很大的帮助。他提出的力的三定律，至今仍然是力学最基本的定律。
牛顿第一定律指出：一切物体在任何情况下，在不受外力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态。
物体都有维持静止和做匀速直线运动的趋势，因此物体的运动状态是由它的运动速度决定的，没有外力，它的运动状态是不会改变的。物体保持原有运动状态不变的性质称为惯性。所以牛顿第一定律也称惯性定律。牛顿第一定律也阐明了力的概念，明确了力是物体间的相互作用，指出了是力改变了物体的运动状态。
牛顿第二定律指出：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。公式：F=ma。
牛顿第二定律是力的瞬时作用规律。力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝。力有方向和大小，因此F=ma是一个矢量方程，应用时应规定正方向，凡与正方向相同的力或加速度均取正值，反之取负值，一般常取加速度的方向为正方向。
牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。表达式：F1=F2，F1表示作用力，F2表示反作用力。
牛顿第三定律指出：要改变一个物体的运动状态，必须有其他物体和它相互作用；物体之间的相互作用是通过力体现的，并且力的作用是相互的，有作用力必有反作用力，它们作用在同一条直线上，大小相等，方向相反。这个定律也叫作用力与反作用力定律，它指出了作用点是继力的大小和方向后的第三个力的要素。作用力与反作用力在同一条直线上，作用点就在这条直线上。
牛顿三大定律是力学中重要的定律，它是研究经典力学的基础。所谓经典力学，就是建立在普通常规速度之内的力学。牛顿运动定律是建立在绝对时空，以及与此相适应的超距作用基础上的。所谓超距作用，是指分离的物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用。也就是说，相互作用以无穷大的速度传递。在牛顿的时代，人们了解的相互作用，如万有引力、磁石之间的磁力及相互接触物体之间的作用力，都是沿着相互作用的物体的连线方向，而且相互作用的物体的运动速度都在常速范围内。物理学的深入发展，暴露出牛顿第三定律并不适用于一切相互作用。在电磁力得到深入研究以后，光速、时间等因素都成为电磁力的重要参数，从而出现了一些不能用经典力学解释的物理现象，这样，现代物理就登台唱起了主角，并且使科学又发展到一个新的时代。
1.2.3 不应忘记牛顿
在爱因斯坦的相对论以后，现代物理特别是理论物理已经大大地超越了牛顿的时代。但是在地球的运动系统内，日常生活和生产中的力学仍然是牛顿物理的天下。牛顿是划时代的科学家，我们不但不能忘记他，更应该了解他，从他努力献身科学的一生中受到激励和启发。
1643年1月4日，艾萨克·牛顿出生于英格兰林肯郡乡下的一个小村落伍尔索普村的伍尔索普庄园。大约5岁时，牛顿被送去读书。少年时的牛顿并不是神童，他资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物，并从中受到启发，自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意，如风车、木钟、折叠式提灯等。保持好奇心和喜欢读书，这是他成功的关键。
传说牛顿小时候把风车的机械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上，然后在轮子的前面放上一粒玉米，那地方刚好处于老鼠可望不可及的位置，老鼠想吃玉米，就不断地跑动，于是车轮子会不停地转动。还有一次他在晚上放风筝时，在绳子上悬挂着小灯，村里人看见了，惊疑是彗星出现。他还制造了一个小水钟，每天早晨，小水钟会自动滴水到他的脸上，催他起床。他还喜欢绘画、雕刻，尤其喜欢刻日晷（gu），家里墙角、窗台上到处安放着他刻画的日晷，用以验看日影的移动如何指示时间。
牛顿12岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民，但牛顿本人却对自然科学产生了兴趣。随着年岁的增长，牛顿越发爱好读书，时常沉思，喜欢做科学小实验。他在格兰瑟姆中学读书时，曾经寄宿在一位药剂师家里，看着药剂师摆弄那些瓶瓶罐罐，使他受到了化学实验的熏陶。
牛顿在中学时代学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有好奇心。他对颜色、日影四季的移动都感兴趣而想探寻究竟，并且对几何学、数学，包括哥白尼的“日心说”等都认真地学习和思考。他分门别类地写读书笔记，在有条件的时候，还亲自动手制作小工具，用来做些小实验。
后来迫于生活，母亲让牛顿停学在家务农，帮助照顾家庭。但牛顿一有机会便埋头于书卷中，以致经常忘了干活。每次母亲叫他同佣人一道上市场，学习做交易的生意经时，他便恳求佣人一个人上街，自己则躲在树丛后看书。有一次，牛顿的舅父起了疑心，就跟踪牛顿上市镇去，发现他的外甥牛顿伸着腿躺在草地上，正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父，于是舅父劝服了牛顿的母亲让牛顿复学，并鼓励他上大学读书。牛顿又重新回到了学校，如饥似渴地汲取着书本上的知识。
从12岁左右到17岁，牛顿都在国王中学学习，现在该校图书馆的窗台上还可以看见他当年的签名。他在18岁时完成了中学的学业，并得到了一份完美的毕业报告。
1661年6月，他进入剑桥大学的三一学院。那时，该学院的教学基于亚里士多德的学说，但牛顿更喜欢阅读一些笛卡儿等现代哲学家及伽利略、哥白尼和开普勒等天文学家更先进的思想。1665年，他发现了广义二项式定理，并开始发展一套新的数学理论，也就是后来为世人所熟知的微积分学。1665年，牛顿获得了学位，而大学为了预防伦敦大瘟疫而关闭了。在此后两年里，牛顿在家中继续研究微积分学、光学和万有引力定律。
《自然哲学的数学原理》（现常简称《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下出版于1687年7月5日。牛顿在该书中阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律。由于《原理》的成就，牛顿得到了国际性的认可，并赢得了许多的支持者。
1704年，牛顿著成《光学》一书，他在书中详述了光的粒子理论，他认为光是由非常微小的微粒组成的。这是最早的关于光子的论述。
1705年牛顿被安妮女王封为贵族。此时的牛顿非常富有，被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。牛顿还曾担任英国皇家学会会长。
1727年3月31日，伟大的牛顿逝世。同其他几位杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂，这是英国给予他们民族伟人的最高待遇。他的墓碑上镌刻着：
“让人们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类荣耀。”
