牛顿在避居故乡期间，曾磨制了一些各种形状的光学透镜。他用其中的一块进行实验操作。为了做好实验，他布置了一间暗室，只在窗板上开一个圆形的小孔，让太阳光射入。在小孔前面放了一个三棱镜，太阳一照，对面的墙上立即出现了鲜艳的像彩虹一样的光影：最上面的是红色，以下依次是橙、黄、绿、青、蓝、紫共七色。牛顿惊异地发现，圆形的太阳光线经过这一散射，居然成了一道道平行的长条形彩色光谱!

　　这一偶然的发现经过反复实验终于得到证实：白色光线之所以能散射成彩色的光谱，绝不是偶然的，而是由于白光本身就是由折射率不同的各种彩色光线混合组成的。当它透过三棱镜时，紫色光线的折射率最大，其次是蓝色……折射率最小的是红色光线，以致在三棱镜后面形成了彩色光谱。太阳光透过蒙蒙雨雾时，产生美丽的七彩虹，也是同样的原理。

　　这一闪光的实验，为后来的科学家们创立光谱学开辟了道路。他们将光谱拍成照片，测量光的波长，对燃烧着的物质进行光谱分析等等。结果，非但测定了组成太阳的物质是什么，而且发现了以前根本不知道的新元素，如铯、铷、铊、铟、氮……

　　通过对于光线折射的研究，牛顿还认为，望远镜里出现的妨碍视线的各种色彩，正是由于白色光线透过透镜时产生的。这是一个对于制造望远镜颇有实用价值的结论。但是，牛顿却做了一个错误的断定。他认为，对于当时人们使用的折射望远镜来说是个无法克服的缺点，即使磨制出再完善的透镜也无法避免白色光线透过透镜产生各种色彩，从而妨碍视线。然而，歪打正着，正是由于这一错误的结论，牛顿发明了一种新型的望远镜——反射望远镜。

　　反射望远镜的发明，引起了人们极大的兴趣。牛顿很快被提名为皇家学会的候补会员。1672年1月，又被选为正式会员。就在这时，他将自己的第一篇正式的科学论文《关于光和色的新理论》送交皇家学会讨论审查。这篇论文总结了他过去在光学方面的实验和理论，提出了光的本质是“微粒”的见解。在此以前，笛卡尔也主张微粒说，认为光是由发光体发出的弹性微粒组成的，是直线进行的。与牛顿同时代的英国科学家罗伯特•胡克以及荷兰数学家、物理学家惠更斯则主张“波动说”，认为光是一种机械波，由发光体引起，同声音一样依靠媒质来传播。微粒说与“波动说”在当时互为补充。虽然微粒说从现代科学的眼光来看不够完善，但它与现代用量子论解释光的本质的见解有十分相似之处，即认为光的物质结构基本上是原子的。所以，一位英国学者说：“单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学史上的头等人物。”

　　万有引力定律和运动定律

　　我们知道，地球旋转时，地上的人、屋、树木与海洋都跟着地球一道转动。但是怎样才能把这种认为与地面上的静止状态统一起来呢?为了解答这个问题，牛顿曾设想，有一根高出地面若干公里的旗杆，杆顶上放一块石头，那么经过同样长的时间后，这块石头所经过的圆弧肯定大于杆下的人所经过的圆弧，所以说，旗杆上的石头的运动速度比地面上人的运动速度要快一些。

　　怀着愉悦的心情，牛顿把这一设想写信告诉了胡克，他说：假如石头忽然从杆顶往下落，由于地球是由西向东转，所以石头应该落在杆顶和地心的连接线东面的某一点上。胡克对于牛顿信中提出的实验着了迷，他决心用实验来证明牛顿设想的正确性。令人遗憾的是，通过实验他发现牛顿的设想并不完全正确，实际上物体下落时应该落在偏东南方向。

　　胡克的纠正虽然再度引起了牛顿对引力问题的兴趣，但是未能解决的一个问题仍使牛顿感到纳闷。他没有忘记，在乌尔索普村用地球的引力去解释月球的运动所遭遇到的失败。1666年他在乌尔索普村计算引力时所采用的地球表面的大圆弧上，曾经把长度定为_60英里，根据笛卡尔的测量，这一数字应当是69．1英里。1682年他在皇家学会听到这个消息后，才发现了自己错误的原因，他通过重新计算得出的结果与理论值相符合，这时他才认识了使苹果落地的力：和使月球围绕地球转动的力是同一种力。

　　牛顿在剑桥大学学习天文学时，已经接受了哥白尼日心说的理论，而且深刻地领会到开普勒和伽利略等人工作的意义。开普勒企阔用力学原理去说明行星为什么能在轨道上运行，他认为，必定有一种力在推动它们。伽利略发现了惯性原理后，认为这种力来自太阳。牛顿在总结前人的基础上，通过自己反复细致的实验观察和精确的计算，提出了著名的万有引力定律，即一切物体相互吸引，引力与它们的质量乘积成正比，而与它们间的距离平方成反比。

　　1682年，牛顿根据引力按距离平方成反比而变化的定律进行计算之后，便去寻找行星运行的轨道问题，通过一段时间的努力，牛顿螫于得到了这个问题的解答。他的方程式告诉他，行星运行的轨道瘦该是椭圆，从而他解决了当时天文学的一个最大问题。趁热打铁，紧接着牛顿于1684—1685年间在剑桥做了一系列名为《论天体运动》的学术演讲，论证了万有引力的普遍性。他指出，宇宙间的一切物体，无论是地球上的两物体之间，还是地球与月球、地球或其他行星与太阳之间，都无一例外地遵循着万有引力定律。

　　当时牛顿42岁，在科学研究上所表现出的智慧达到了顶峰期。由于皇家学会一些会员，特别是哈雷的敦促，1685年牛顿开始着手编他那本流传后世的巨著《自然哲学的数学原理》。在写作期间，牛顿倾注全力、废寝忘食。他经常在书房里踱来踱去，对周围发生的事件充耳不闻。他经常到花园里散步，但常常会突然冲锋似的跑回楼上去，人未坐稳便快速地将他一瞬间得到的意念记录下来。

　　牛顿正是在这种忘我的境界下计算和证明命题、定理、方程式、原则，以及精密绘制图表等，经过18个月的不懈努力，终于在1686年完成了这部不朽巨著。在这部巨著中，牛顿阐述了他著名的三大定律。

　　定律一：每个物体在没有外力作用的情况下，将永远保持其静止或匀速直线运动的状态。此定律即为人们熟悉的“惯性定律”。

　　定律二：当物体受到外力作用时，它的加速度与作用力成反比，与物体的质量成正比，加速度的方向与作用力的方向相同。

　　定律三：两物体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。这条即是“作用力与反作用力定律”。用牛顿自己的话来解释：如果你用手指推压一块石头，那么手指也要被石头所推压。

　　三条定律的语句非常精练，却蕴含了丰富、普遍的道理。人们可以用它来解释日常遇到的许多事，它们是近代物理学的基础。

　　牛顿在前人研究的基础上，创造性地把物体的运动规律归结为三条运动基本定律和一条万有引力定律，建立了一个完整的经典力学理论体系，从而把过去一向认为是截然无关的地球上的运动规律和天体的运动规律概括在一个严密的统一理论之中，它正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，在人类对自然的认识史上实现了第一次理论大综合。牛顿的科学成就影响深远，它使机械唯物论的自然观在欧洲统治自然领域达200年之久，推动了科学研究突飞猛进的发展。