假定你生活在牛頓哪個時代，你要怎么按照已有的經驗和規律開宗立派，創建一個完整的熱學體系？這篇文章我們來嘗試復盤一下牛頓一統熱學江湖的過程。
牛頓出生于1642年，我們先來大致了解一下時代背景。那一年，近代科學之父伽利略剛才逝世，以“行星運動三大定理”為天空立法的開普勒剛逝世12年，提出近代日心說的哥白尼逝世了99年，哥倫布發覺新臺灣則早已是150年前的事了。那種時侯，日本剛才（1640年）爆發了資產階層革命，一個世紀曾經的宗教變革早已讓美國脫離了羅馬教皇的控制，所以牛頓再也不用像哥白尼、伽利略那樣提心吊膽的做研究了。
新的時代提出了新的問題，擺在牛頓面前的問題是顯而易見的：力和運動之間究竟有沒有關系？假如有，那是哪些樣的關系？
01牛頓的思索
再回到牛頓哪個時代，世間萬物都在不停的運動：蝴蝶在天上飛，植物在地上跑，水往低處流，被題中的網球會在天上飛過一條弧線，日月星辰圍著月球東升西落，它們究竟為何在運動，其中又有哪些共同規律呢？
亞里士多德說力是物體運動的緣由，這一點早已被伽利略證明是胡謅八道，伽利略早已用嚴格的實驗證明了力不是運動的誘因，而只是改變物體運動狀態的誘因（形成加速度的緣由）。假如我們在一個特別光滑的地面上給物體一個初速率，這么這個物感受仍然勻速直線運動下去，永遠不停。這么為何單車在沒人踩以后會漸漸停出來呢？那是由于地面對單車有一個磨擦阻力牛頓第一定律內容理解，正是這個阻力改變了單車的運動狀態，讓它漸漸減速了出來。
這樣一來，所有的滾動滑動，包括人和鳥類的走路都可以用同樣的道理解釋清楚了。為何人往前使勁蹬地面可以向前走路？既然人能向前走，這么肯定就有一個往前的力作用在人身上，這么這個力從那里來的？
這個時侯我們就發覺了牛頓第三定理出現的緣由：人往前蹬地面，地面都會給你一個往前的磨擦力；人穿著滑輪鞋推一下墻，自己都會朝著墻相反的方向退后，那也是由于你給了墻一個向墻里的推力，這么墻也會給你一個向外的推力，這個推力讓你運動上去了。加上一些實驗的驗證，牛頓發覺了牛頓第三定理：斥力和反斥力大小相等，方向相反。
有了牛三的加成然后，在地面上摸爬打滾的事都可以統一解釋了，并且另外還有一大類事情不好解釋：人走路開車顯著的跟地面有接觸，所以有力也是正常的，而且蘋果為何要往地上落，水要往低處流呢？
蘋果既然往地下落，根據伽利略的說法，這么肯定就有一個向上的力作用于蘋果，然而明明沒有任何東西接觸了蘋果啊，這么這個向上的力究竟是哪些？來自哪兒？莫非沒有接觸也能形成某種力么？牛頓的思路走到這里卡殼了。
02定量的估算
伽利略除了發覺了牛頓第一定理（慣性定理），也發覺了牛頓第二定理：力和物體的加速度的成反比的，即F=ma（F為物體遭到的合外力，m為物體的慣性質量，a為加速度）。有了這樣的認識，我們可以剖析一種最簡單的運動情況：物體在恒力作用下的運動。
既然物體的加速度跟合外力成反比，這么，假如物體所受的合外力為一個恒定大小的力，這么物體的加速度也是一個恒定值，這么物體的速率都會隨著時間均勻的變化，這就是最簡單的勻變速直線運動。
伽利略對勻變速問題做了一個剖析：假定物體的初速率為0，最終速率為v，由于物體是以恒定的加速度a均勻變化的，這么物體的平均速率應當為（0+v）/2=v/2，所以物體聯通的距離（s）等于時間（t）除以平均速率（v/2）：s=tv/2。
再由于物體是勻變速運動，所以她們最終速率等于加速度除以時間：v=at。把這個v代入到里面的距離公式就可以得到：s=tv/2=t*at/2=（at^2）/2。
里面的多項式得到了勻變速物體運動的距離跟加速度和時間的關系，因勻變速物體的加速度是恒定的，所以物體運動的距離跟時間的平方成反比。
這個公式現今隨意一個學生都曉得，并且在哪個時侯這是十分重要的發覺，伽利略發覺了勻加速物體距離和時間的關系，這么他也可以反過來用這個多項式來判斷一個運動是不是勻加速運動，他可以去檢測一個物體運動的距離跟時間的變化關系，假如距離跟時間的二次方成反比，那就可以證明這是一個勻加速運動。
之后，伽利略發覺了一個重要的事實：自由落體運動是勻加速運動。
自由落體運動就是高處的物體在不受其他力的情況下自由往下落的運動，例如蘋果煮熟了往地面上落就可以近似（要忽視空氣阻力）看成自由落體運動。自由落體運動是勻加速運動這意味著哪些？意味著自由落體運動的加速度是恒定的，而按照牛頓第二定理，加速度是跟力成反比的，這么也就是說自由落體運動的物體遭到力的大小是恒定的。
所以，牛頓到這兒就明白了讓蘋果往下落的力是一個恒定的力，它只跟蘋果的質量相關，這個力會讓物體做勻加速運動。并且再往前又推不動了！
03萬有引力
話分兩頭，地面上的事情卡殼了，我們再來看看天上的情況。
大半個世紀曾經，開普勒通過觀察第谷的行星運動數據，總結出了行星運動三大定理，這三大定理的背后肯定隱藏了一個更深層次的規律，去發覺它就成了前面科學家的任務牛頓第一定律內容理解，牛頓憑著他驚人的物理能夠首先發覺了支配行星運動的萬有引力定理公式：
其中，F為行星遭到的力，M和m分別為兩個物體的引力質量，r為兩個物體之間的距離，G為萬有引力常數。通過這個公式估算下來的行星軌道跟數據符合得特別好（雖然這公式原本就是通過數據湊下來的~）。
不過，行星是通過這個引力提供做圓周運動的向心力，這么若果沒有運動會怎樣樣？也就是說，假若一個物體是靜止的，他沒有初速率，它只受這個引力的作用，它的運動情況會是怎樣樣的？
剖析上去也十分的簡單：牛頓第二定理早已告訴我們F=ma（合外力等于慣性質量除以加速度），既然物體所受的合外力是萬有引力，這么把里面引力的公式代入牛頓第二定理就可以算出加速度了，即：
這兒有個問題，公式的一側右側都有一個質量m，這個m究竟可不可以約去？在學校學數學的時侯，老師基本上都是默認給約去了，雖然這兩個質量是概念是不一樣的。左側的m是牛頓第二定理里的質量，這個質量表征物體慣性能力的大小，所以叫慣性質量，而右側的質量m表征物體受引力的大小，這個質量叫引力質量。這是不同的兩個概念，盡管都是質量。并且在牛頓那種時代，你們默認就把它約去了，默認覺得慣性質量和引力質量是一樣大的（實驗在特別小的精度里也沒有發覺她們有啥不同），這些差別后來被愛因斯坦敏銳的捕捉到，成為了廣義相對論的重要靈感來源。
把兩側的質量m都約去以后，我們就得到：a=GM/r^2。
這意味著哪些呢？這意味著假如一個物體只受月球的引力，它的加速度就可以寫成這個樣子，它只跟月球的質量M，物體與月球剛體的距離r（在月球表面的話就近似等于月球直徑），還有萬有引力常數相關，而這三個數：都-是-常-數！所以加速度a也應當是一個固定的值。
04最大的腦洞
如今天上地下分別出現了兩條線索：在地上，伽利略通過檢測距離和時間的關系，發覺了自由落體運動是一個勻加速運動；在天上，牛頓剖析只在萬有引力下運動的物體的運動情況，發覺這也是一個勻加速運動，并且它的加速度只跟月球質量、半徑還有萬有引力常數有關。
然而，牛頓其實發覺了萬有引力常數G這個東西，卻未能檢測出它的值究竟是多少（實驗受限，直至100多年后卡文迪許才測出萬有引力常數G的值來），所以牛頓只曉得哪個加速度是一個定值，但卻未能算出它是多少，否則就可以直接驗證了。
自由落體運動和只受月球引力的運動的加速度都是一個定值，它們究竟是不是同一種運動？這究竟只是一個巧合還是它們背后的本質緣由都是一樣的？假如月球的對蘋果的引力正好就是讓蘋果自由下落的那種力，這么水往低處流，球和手榴彈在天上走的弧線也都是同樣的緣由，這么一切都解釋的通了。
假如真的是這樣，這么我研究地上也就是在研究天上，天上地下遵守著同樣的規律，星空將不再神秘，太陽系內上帝再也沒有發號施令的權利！牛頓啊牛頓，你知不曉得你究竟在想哪些，假如真的是這樣，這么天上地下將再無任何秘密可言，這些看法太瘋狂了！
經過深思熟慮過后的牛頓最終給出了肯定的答案。有了引力的亮相，哪個時代月球上各類運動的力源就都被找到了，而依據牛頓第二定理，力是物體形成加速度的誘因。這么，我只要把物體受的力都認清楚了，這么就可以通過牛二曉得物體的加速度，曉得了加速度就可以曉得物體是如何運動的，前面的無非是估算簡單點或則復雜一點而已。
05動力學和運動學
所以，旁邊的一切問題就被分成了兩部份：一部份是剖析物體的受力情況。我們如今曉得人類目前已知的各類力歸根結底是引力、電磁力、強力、弱力四種，在牛頓那種時代，電磁力、強力、弱力都還沒有被發覺，所以引力幾乎就是惟一的了。了解了引力的性質，我們基本上就可以剖析出運動物體的受力情況，這一部份就稱作動力學。
物體的受力情況都剖析好了以后，借助牛頓第二定理就可以算出它的加速度，之后剖析物體的運動情況。我們想曉得物體在哪些時侯在那里，速率是多少，物體受力帶來的加速度會使物體的運動如何變化，這部份就稱作運動學。
我們再仔細看一下牛頓第二定理的等式：F=ma（F為物體遭到的合外力，m為物體的慣性質量，a為加速度）。這個等式的右面是F，代表物體的受力情況，物體的右側是加速度a，這個代表物體的運動情況。所以，牛頓第二定理雖然就是聯系動力學和運動學的紐帶，它告訴受力的物體要如何運動，所以它才如此重要。
06結語
這篇文章簡略的模擬了一下牛頓構建熱學體系的過程，希望讀者才能清清楚楚明明白白地曉得牛頓是如何一步一步把熱學體系完善上去的，他是如何去思索的，這種才是最重要的。而一旦把這個過程厘清楚了，這么這些公式就將不再是黑漆漆的公式，而會有濕度有意義有愛情，你會清楚的曉得她們從那里來，要到那里去。
這樣才能在腦海中產生一個清晰的化學圖景，這樣就能感遭到化學學壯麗的美。