引力
哥白尼的太阳中心说，是16世纪科学史上最伟大的成就。近代科学革命，正是以此为开端的。不过，这场革命开始时，规模还是很小的，而且不时地遭到中世纪反动教会势力野蛮的袭击。直到17世纪，自然科学还不过是一颗刚出土的嫩芽。
意大利勇敢的天文学家布鲁诺，坚持哥白尼的太阳中心说观点，反动教会斥责他是异教徒。1600年3月17日，他被活活烧死在罗马的百花广场上。
但科学从不是软弱无能的，近代科学革命面对反动势力的挑战，依然在黑暗中传播、发展。
天文学家开普勒的老师——丹麦天文学家第谷·布拉赫也信奉地球中心说，开普勒继承师命，想从他的老师遗留下来的资料中找出科学依据，来证明哥白尼的日心说是错误的。然而，他凑来凑去，观测到的数据与地心说总是不能吻合。终于，撇开地心说的念头在他脑海中产生了。他想，如果按哥白尼日心说计算，结果会如何呢？他计算了一下，同观测到的情况有点接近了，可依然不理想。
经过数年的埋头钻研，开普勒终于得出了正确的结论：地球确实和其他行星一样，在不停地绕太阳运行；但这个轨道并不是圆的，而是一个比圆复杂的椭圆。太阳也并不位于中心位置，而是处于椭圆的一个焦点上。
1609年，开普勒发表了关于行星运动的两条定律。一条是：每一颗行星总是沿着一条椭圆轨道环绕太阳转，太阳则处在椭圆的一个焦点上；另一条是：从太阳到行星所连接的直线，在相等的时间内扫过同等的面积。9年之后，他又发现了第三条定律：行星绕太阳一圈的时间的平方和行星各自离太阳的平均距离的立方成正比。这就是著名的开普勒行星运动三大定律。
由于开普勒的贡献，哥白尼的太阳中心说有了进一步的发展。太阳系诸行星的秩序终于澄清了。此后，天体之间的运动更吸引着人们的注意，到底是什么原因驱使着行星不知疲倦地绕太阳作规则的椭圆运动呢？也许有某种力作用于行星吧！
在意大利的比萨城，有一座高塔。由于设计师的疏忽，塔建成不久，因一侧地基下沉，塔身便倾斜了。不过由于塔身坚固，这个塔并没有倒塌。
这座斜塔记下了一项十分珍贵的科学实验，这就是16世纪末比萨大学一个青年讲师伽利略的重力加速度实验。
伽利略以前的人，对重力加速度几乎一无所知，他们相信书本上记载的亚里士多德的信条：同样大小的物体，其坠落速度和它的密度成正比。物体愈重，坠落得愈快。伽利略不相信这种结论是正确的。据说，他拿了两只形状和大小都一样的铅球和石头，登上比萨斜塔的顶部。他举起双手，同时将两物体松开。两物体越来越快地往下坠落，最后铅球和石头同时落到了地面。
为了搞清物体下落的规律，伽利略做了许多实验。他让一只金属小球从光滑的斜面上滚下来，此时，小球滚下的情形和自由下落的情形十分相似，只是速度慢得多。伽利略用了一只简单的水钟，记录下了小球滚下的路程。伽利略从多次的记录中发现，一个物体从高处下落的速度，会随着下落的时间越来越快，并把这个规律用精确的数学公式表示了出来。
是什么原因促使物体以越来越快的速度坠向地面呢？伽利略对此也曾猜想过：这可能是地球对物体的引力吧！
依萨克·牛顿，1642年生于英格兰乌尔索普小村的农民家庭，父亲在他出世之前就去世了。三年后，母亲又改嫁，被继父带往新居。牛顿从此由外婆来照料，并进到乌尔索普村立小学接受教育。14岁那年，牛顿的继父又去世，母亲带着三个儿女，回到乌尔索普农家，过着更为贫寒的生活，幸而牛顿的舅父安斯考对这位少年人很有兴趣，帮助牛顿进到了格蓝珊公立中学，后来又帮助他考进了剑桥大学三一学院，这就是牛顿一生事业的开始。
1665年的牛顿犹如一粒成熟的种子，开始吐芽，预示着科学上就要开出灿烂的花朵。这时，已经有几个重大的问题在牛顿的脑海中盘旋：是什么原因约束着一颗巨大的行星如此规则地沿着椭圆轨道绕太阳旋转？又是什么原因使物体以越来越快的速度坠地？这两者之间存在着联系吗？这三个问题的提出，本身就是一个了不起的成就。科学上的重大发现，往往是把两个表面上看来几乎完全无关的事件联系在一起后才完成的。
据说，牛顿在乌尔索普家中的苹果园，看到一只苹果落地，从而联想到引力的问题。苹果以越来越快的速度落向地面，是由于地球对苹果吸引力的缘故。地球既然对苹果有吸引力，那么它为什么不可以对月球有吸引力呢？正是这个力起到了一根无形的绳子作用，迫使行星绕太阳旋转，也迫使月亮绕地球旋转。
牛顿是个数学上很精通的天才，到了1685年，他在科学上更加成熟了。那时，他不但搞清了地球的正确半径，还掌握了力、加速度和物体重量的关系。特别是他证明了：一个具有引力的物质组成的球吸引它外边的物体时，就好像所有的质量都集中在它的中心一样。把太阳、行星、月球都当做一个质点看待的简化计算方法显然合理。这就把粗略的近似计算提高到了极其精密的证明。万有引力的正确表达公式，终于在牛顿手中得到了。
万有引力定律的表述是：两个物体彼此以力在相互吸引着，力的大小和两个物体的质量的乘积成正比，与两者之间的距离的平方成反比，公式的形式是：
F=G（M（下标1）·M（下标2）R（上标2））
式中M1、M2表示相互吸引的两个物体的质量；R表示两物体之间的距离，G表示引力常数。
万有引力定律，把天体间的力和地上的引力的联系建立起来了。牛顿写到：“如果我们设想抛射体的运动情况，就可以很容易地理解到为什么行星可以保持在某条轨道上：因为一粒水平射出的石子，由于它本身的重量（地球对它的引力），使它不得不离开直线轨迹……，并在空中描出一条曲线，最后落到地面上；射出的速度愈快，它的射程越远。所以我们设想石子的速度增加得非常之大，以致射程越过了地球的界限，从地球上擦过去了。”月球和今天的人造地球卫星，正是牛顿所描述的这种情景。
自从牛顿发现万有引力定律之后，大约有二百多年的时间，人们对引力的认识再没有什么实质性的进展。直到20世纪初，牛顿的经典引力理论，才由德国一位青年物理学家阿尔伯特·爱因斯坦把它大大地向前推进了一步。
1879年3月14日，爱因斯坦生于德国的乌尔姆城，父亲和母亲都是犹太人，出生次年，全家移居慕尼黑，在那里度过了他的少年时代。15岁那年，爱因斯坦的父亲因经营工厂失败，家庭移居意大利的米兰。爱因斯坦继续留在慕尼黑中学读书，开始了他的独立生活。16岁那年，爱因斯坦为谋求一个职业，去苏黎世报考瑞士联邦理工大学，不幸落选。他毫不灰心，经过一年的勤奋备考后，次年终于如愿了。大学时代的爱因斯坦，与中学生时代的嗜好一样，依然是不倦地钻研着一大堆同课程无关的书籍，其中有基尔霍夫、赫姆霍兹、赫兹、玻尔兹曼等人的物理名著，还有一些乱七八糟的哲学书籍。就在他的大学年代，以太、时间、空间、电磁场……，这样一些物理学中的基本概念，成了爱因斯坦经常思考的问题。
1900年，爱因斯坦大学毕业，只因为他是犹太人，没有瑞士国籍，使他足足有两年没有找到固定的工作。生活贫困，慢性病的折磨，终未能减低他对理论物理的极大兴趣。1901年，22岁的爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了他的第一篇科学论文。次年，在他的亲密同学格罗斯曼的父亲帮助下，好不容易在伯尔尼瑞士联邦专利局找到了工作。他在每天应付那繁琐的事务工作之余，继续开展理论物理的研究。在这些看来最平常不过的年代里，却是爱因斯坦科学生涯中最富有创造性年代。
1905年，是爱因斯坦在这些创造性年代中所做出最为伟大贡献的一年。在这一年，他连续发表了几篇震惊世界的论文。其中《论动体的电动力学》一文，是爱因斯坦多年探索的结果，这篇狭义相对论的论文，以其完整的形式，提出了等速运动下的相对性理论和空间的新概念，从根本上动摇了作为物理学基础的牛顿力学关于绝对空间和绝对时间的观念，引起了物理学理论基础的重大改革。
1905年的巨大成就，使爱因斯坦从一个专利局的小职员跨入了第一流物理学家的行列。爱因斯坦并没有因这些成就而停止他探索自然的脚步。1908年以后，他又开始了一个更为艰巨的课题的研究：牛顿的引力质量是什么？怎样才能把牛顿的引力同狭义相对论融合起来？他一个人埋头钻研，前后花了7年心血。终于彻底改造了牛顿的万有引力理论，创立了广义相对论。
爱因斯坦想，倘若有一个人站在可以自由升降的电梯里面，如果没有地球的引力，电梯加速上升，而且这个加速度正好等于重力加速度。那么，电梯里的人一定以为，他是处在一个正常的地球引力场中。可这时，电梯内的重力感觉，恰恰是由于电梯加速上升的惯性引起的。爱因斯坦因此斩钉截铁地作出结论：这两种力没有区别。爱因斯坦从这件事得到启发，也许引力场和一个非惯性系统（升降梯的加速运动）之间，在一定范围内是等价的。下一步，便是如何用数学形式把这个重要的等价原理恰如其分地表现出来。苦战7年，当爱因斯坦找到了黎曼几何（非欧几里德几何）的数学形式之后，才用它建立起了一种崭新的理论——广义相对论。从广义相对论的角度看，物体之所以落到地面，是因为地球周围的空间是弯曲的。
为了说明这个抽象的概念，我们可用一个平面的例子来说明。尽管具体情况要复杂得多；但其基本精神还是一致的。如果一只有智慧的动物，生活在一平面上。它要从平面上的A点到达B点。路程最短的方案，便是连结A、B之间的直线，如果在A、B之间放一块石头，把平面压凹下去，但A、B之间的位置不能发生变化。这时，动物从A点到B点的最短路程就不是直线了。我们把最短路线不是直线的空间叫做弯曲空间。如果在这个弯曲空间的A、B两点各放一只小球，小球将会自然地往石头压弯的地带滚去，这就像地球上空的物体，在引力作用下坠向地面一般。
在广义相对论看来，物体在引力场中的种种行为，正是由于它所处的空间，受到质量的影响而发生的弯曲所造成的。它再不是牛顿提出的那个引力传递不需要费时间的超距作用。弯曲的时空，是20世纪20年代的一个震惊世界的出色理论。
广义相对论是人类智慧杰出成就的标志之一，是现代物理学的一大支柱。它为人类探索引力的本质提供了理论基础。
电磁力
人们很早就对静电现象有所了解，我国古代就有着“琥珀拾芥”的静电知识记载。
电力与引力不同，它有正、负两种。大小相等、性质相反的电荷可以彼此抵消。世界上一切不带电的物体，全是等量正负电荷的组合体。
最早探索静电力规律的，是18世纪一位军事工程师查理·库仑。库仑早年在西印度群岛服役9年，后因病退伍回家，这位工程师喜欢自己动手，擅长制作简单的仪器。
1777年，他发明了一种用细金属丝制成的扭秤，想用来测量以前无法测量的力。静电力到底服从什么规律？便是库仑测量的主要内容。这个实验，方法很简单。将电荷Q（下标1）放在左边，右边用细金属丝悬挂一个摆，带电荷Q（下标2）。Q（下标1）和Q（下标2）同性则相斥，异性则相吸。这时，Q（下标2）所受到的吸引力就跟一个钟摆受到地球的引力一样。大家知道，摆的周期与所受的力的平方根成反比：
周期=常数/√F
根据这个原理，通过测量周期，就可以决定出这个力的大小。
从1784年开始，库仑在法国皇家科学院备忘录中，发表了一系列有关静电力测量结果的论文。他从许多数据中，归纳出静电规律：两个质点分别带电荷Q（下标1）、Q（下标2），距离为R，那么，它们之间的作用力跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。其公式为：
F=K[Q（下标1）·Q（下标2）/R（下标2）]
这就是人们认识电磁力的第一个基本定律——库仑定律。式中K表示一定量纲的比例常数，其值在真空中为8.987×10（上标9）牛顿·米（上标2）/库仑（上标2）。
不难看出，这个公式和万有引力公式十分相似，所不同的是，引力总是相互吸引，静电力却有正有负，表现为力有引有斥，再就是在强度上差异甚大，静电力要比引力强10（上标36）倍。
现在，我们来思考一个问题，为什么氢原子核外面只有一个电子呢？原来，这里就是库仑定律的规矩，大家熟悉，电场的强弱可以用电力线的疏密来描写。我们把穿过某一面积的电力线条数称为电通量。根据电力与距离平方成反比的库仑定律可以证明，对于一个包量等量正、负电荷体系的闭曲面，穿过它的电通量为零。也就是说，这种体系不可能把静电力漏到很远的地方去，从电学的性质讲，它是稳定的。氢原子的原子核中只有一个带正电的质子，所以外面只有一个带负电的电子才能组成稳态结构。其他各种元素无不如此。
倘使自然界的静电规律不符合库仑定律，哪怕是稍微有一点差异，例如，静电力不与距离的平方成反比，而是与距离的1.9次方成反比，那将会发生什么情况呢？此时，穿过包围氢原子闭曲面的电通量不再等于零，也就是说，有静电力线（流进闭曲面和流出闭曲面的电力线之差）穿过闭曲面，这说明静电力可以渗透到氢原子外面很远的地方去。大家可想而知，如果氢原子的电性真的发生了这种改变，它将影响到氢原子与其他原子的结合，由氢原子和氧原子结合的化合物——水的性质，也不知会变成一个什么样子？它显然再不会具有今天人们所熟知的性质了。所幸的是，这一切都不是真的，世界被库仑定律“统治”着，使我们在今天的世界上生活得很好。
在自然界中，除了电力之外，还有一种和电力十分相似的力——磁力。磁石吸引铁的现象，也早为人们所熟悉。中国古代四大发明之一——指南针，便是这种力的应用。
