我的成就当归于精微的思索。
——牛顿
（一）
1665年秋季的一天，牛顿像往常一样坐在苹果树下静静地思考伟大的科学问题。秋天是一个瓜果成熟、四面飘香的好季节，苹果树上果实累累，红彤彤的，十分诱人。一阵微风吹过，苹果的清香飘来，直沁心脾。这是多么诱人的场景啊！
但牛顿似乎根本没有注意到这一切，他既没有伸手去摘一个唾手可得的红苹果，也没有心思去欣赏秋季的成熟之美。
突然，“砰”地一声，一只大苹果从天而降，恰好落在了牛顿面前，把他给吓了一跳！牛顿抬起头，瞅了瞅四周，喃喃自语道：
“哪个小家伙在和我开玩笑呢？”
半晌，除了“呼呼”的风声之外，他没有听到任何回应。苹果树的叶子在沙沙地晃动着，已经成熟的苹果也随风而动，随时可能落下来。牛顿中断了思考，愣愣地望着苹果树和地上的那个“天外来客”。
“苹果落地”这一简单的自然现象引起了牛顿的强烈好奇心。他想：
“为什么苹果不往天上飞，也不向前后左右掉，而偏偏是垂直下落呢？”
他的思绪越飞越远，飞到了月球，飞向了茫茫的宇宙。那颗落地的苹果在他的眼中变成了月亮，变成了行星，变成了一个个天体。牛顿想到了亚里士多德，想到了哥白尼，想到了伽利略等伟大的天文学家和物理学家……
为什么行星会绕着太阳运动？为什么它们不沿直线飞去？是什么力量使它们没有飞出去的呢？难道是太阳拉住了它们吗？那么月亮也是地球拉住的吗？苹果是地球拉下来的吗？地球的力量到底有多大呢？
瞬间，牛顿仿佛变成了一座雕塑，一动不动地凝视着地上的苹果，完全沉浸在宇宙的奥秘之中。人们在讲述这个故事时往往会依据自己的偏好，掺杂一些神秘的成分在里面，说牛顿在瞬间顿悟了，参透了宇宙的规律，发现了万有引力。
实际上，在那颗着名的苹果落地之前的许多年，人们就已经在思考这些问题了。伟大的天文学家开普勒便是其中最着名的一位。开普勒自幼体弱多病，4岁时出天花还落下了一脸麻子，但这并没有为他以后的科学研究带来什么麻烦。这位在牛顿尚未出生就英年早逝的科学家，对天文学有着浓厚的兴趣。每当夜幕降临，他总要歪着脖子，仔细观察夜空中的星星。大学毕业后，开普勒成了丹麦着名的宫廷天文学家第谷·布拉赫（1546-1601）的助手。
第谷过着优裕而平静的生活，他专注于天文观测达21年之久，所获得的材料也空前丰富，并且十分准确。毫不夸张地说，第谷是领导现代天文学革新的第一位前驱者。当然，这并不是因为他提出了什么惊人的理论，而是因为他那堆看起来十分混乱的观察材料。
第谷很欣赏年轻的开普勒，在临终之前将自己的观察材料全部交给了开普勒。得的如此宝贵第一手资料，让开普勒激动不已。然而，开普勒虽然继承了第谷的天文观测资料，却没有继承他的天文学思想。开普勒崇拜哥白尼，是一个坚定的哥白尼主义者，对哥白尼提出的“日心说”坚信不疑。开普勒曾诚挚地说：
“我从灵魂的最深处相信它是真实的，我以难以相信的欢乐心情去欣赏它的美！”
后来，开普勒提出太阳对行星具有吸引作用。开普勒认为，行星离太阳越远，行星的运动灵魂就越弱。同时，他还认为，在太阳上只有一个运动着的灵魂，当一个天体离太阳越近，太阳对天体的推斥力就越强。但是，太阳对距离更远的天体，由于距离和能力的削弱而不起作用。
在宗教式的热情的驱使之下，开普勒相信，天体的运动一定会有规律性。于是，他把着眼点首先放到寻找行星运动的规律上，火星成为了他的目标。然而，当他把按照他的体系计算出来的火星位置和第谷观测值相比较时，发现两者之间有一定的差距。开普勒坚信第谷所得资料是可靠的，而对哥白尼提出的圆形轨道产生了怀疑。
经过辛勤的观测和计算，开普勒终于在1569年有了重大发现。他得出“火星绕太阳运行的轨道不是圆形，而是椭圆形，太阳位于这个椭圆形的一个焦点上”的理论。开普勒为自己的这个发现兴奋不已。也正是这一发现，引起了天文学的全部革新。在此后的10年里，开普勒进一步对行星运动展开了深入细致的研究，并最终提出了着名的行星运动“三大定律”。
（二）
开普勒“三大定律”的提出是天文学史上开天辟地的大事。这一理论体系把哥白尼的学说往前推进了一大步，从而奠定了一种全新的天文学基础。但开普勒没能有效地解决行星运动的动力学问题。行星为什么会按照三定律运动呢？是什么力量维持着那些巨大的天体在宇宙空间围绕着太阳旋转，既不飞去，又不掉下来？
三大定律提出之后的许多年里，并没有成为天文学家们所拥有的公共财富。开普勒与其他科学家的论战长期进行着，直到他默默地去世为止。如果他知道牛顿将继承他的衣钵的话，他肯定会感到十分欣慰的。
早在三一学院读书期间，牛顿就对运动理论有了早期想法。在他学生时代的笔记本和文件中有许多物理课题的札记。从这些材料中可以看出，牛顿读了查利顿的《论伽桑狄》，迪格拜的《论伽利略》和《哥白尼天文学概要》等着作。在阅读托马斯·斯特里特的《查理时代的天文学》时，牛顿从中摘录了开普勒的第三定律和其他一些天文资料。
在瘟疫横行的岁月里，牛顿在伍尔兹索普老家开始认真思考和研究引力问题。为了看一看他能否解释开普勒的定律，牛顿尝试着做了一些粗略的计算。但这些计算只是尝试而已，他并没有深入思考行星运动的奥秘。自从那颗着名的苹果落地之后，情况不一样了。每当夜幕降临之时，牛顿都会悄悄地走出家门，到农场上去观察夜空中闪烁的群星。
有时候，一家人正在吃饭，牛顿会突然冒出几句谁也听不懂的话。汉娜很担心儿子的精神状况，弟弟妹妹们则干脆给这个行为怪异的哥哥贴上了“神经病”的标签。
在反复思考中，牛顿终于悟出：地球肯定存在一种肉眼看不见的拉力，将苹果拉到了地上，正如它拉着月亮，使其始终围绕自己转动一样。但这里又有一个矛盾，那就是，地球的引力为什么恰好可以使月亮围绕自己转动，而月亮不会像苹果一样被地球的引力拉到地上呢？
在随后的几个月里，牛顿始终无法解释这一问题。后来，他非常聪明地想到了伽利略的一些观点。伽利略指出，物体具有一种惯性，运动的物体在没有外力影响的情况下会一直运动下去。这使牛顿意识到，月亮始终围绕着地球运动是因为它在最初形成之时就获得了一个初速度，并一直按照这个速度运动了下来。
然而，这并没有解释月亮为什么不会被地球的引力拉到地面的问题，也没有解释月亮为什么会绕着地球运动，而不是作直线运动，摆脱其固有的运动轨迹。伽利略另一个关于物体运动的理论又给了牛顿关键性的启发。伽利略在抛物运动理论中指出，平抛物体具有两种各自独立的运动趋势：一个是水平方向的匀速直线运动，一个是在垂直方向上的自由落体运动。这两种运动趋势结合在一起，就形成了以曲线为轨迹的下落运动。
这样，牛顿结合月亮初速度的设想，便得出了月亮绕地球运动的原理：具有足够大初速度的月亮在地球的引力下，一方面向地面坠落，另一方面又向着水平方向飞出。这两种运动趋势最终合成了月球的绕地运动，使月球能在与地球保持一定距离的轨道上周而复始地运动下去。
这下，“苹果落地”的现象有了合理的解释。月亮环绕地球旋转，是因为地球吸引着它；同样，苹果落地，也是地球吸引了它，使成熟的苹果向地球掉下来的力和使月亮环绕地球旋转的力是同一种力。
由此，牛顿认为，月亮持续不断地环绕地球运动是一种不断向地球降落的运动。那么月亮在地球的吸引下为什么不掉到地球上来呢？牛顿认为，月亮正是按着地球表面的曲率绕着地球在掉落着。而且，苹果同月亮一样，也在吸引着地球。任何物体，甚至宇宙间的一颗小小的流星，也对每个物体都有吸引力，因此，当地球在吸引苹果向它降落的时候，苹果也在吸引着地球，只是苹果的吸引力太小，无人觉察到，于是看上去是苹果在掉落。月亮则大得多，在地球以巨大的力吸引月亮的时候，月亮也以巨大的力吸引着地球，由于双方都在不停地自转的同时又公转，这就使月亮既不会飞走，也不会掉下，地球的引力刚好保持在让它在它的轨道上运转。
这便是牛顿万有引力定律的最初雏形。提出了这种假说之后，牛顿开始计算地球的引力。要计算地球的引力，牛顿需要知道地球半径的准确数据，然而，他的记忆发生了错误，他把地球每一纬度的长度为111.2公里错记成了96.56公里。这就使他的计算结果比实际的大了l5％，也使他的这项研究在很长一段时间里没有新的进展。
（三）
在计算地球的引力受挫之后，牛顿的心情变得很糟糕。他在《杂记》中写道：
“适量的饮酒可以使人产生美妙的感觉；然则，暴饮暴食则令人产生幻想。同样，过度的研究也会使人疯狂。”
很显然，牛顿已经意识到了过度的科学研究对他健康的损害，但他无法控制自己不去思考这些问题。在万有引力的课题上遇到困难之后，牛顿转向了他感兴趣的另一个科学领域——光学。
早在中学时代，牛顿就做过一些关于光学的实验，在三一学院又重复了这些实验。可以说，牛顿在自然科学上的发明与发现，最早成熟的就是关于光学的思想和研究。
17世纪，由于弗兰西斯·培根（1561-1626）这位英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖的不懈奋斗，实验哲学已经冲破了亚里士多德以及经院哲学的樊笼，对英国的哲学家和科学家产生了深刻影响，实验科学也由此得到长足的发展。光作为人类认识大自然的一个重要课题，也在人们不断深入的研究之中渐渐现出了它的本质。
在牛顿时代，虽然光学发展呈现了一个良好的势头，但其理论基础依然十分薄弱。古希腊时期，带有唯物主义色彩与倾向的哲学家伊壁鸠鲁（约公元前341-公元前270年）和卢克莱修（约公元前95-公元前55年）就认为，光是由物体表面放出的粒子组成，人们瞳孔中的极为细小的图象是由物体释出的。视觉就是这些释放出的粒子在眼睛里引起的感觉。
然而，唯心主义的亚里士多德则认为，视线是从眼睛出发，碰到物体后又射回眼睛。此后，关于光的性质就发展到是粒子还是波的争论，众说纷纭，莫衷一是。在漫长的中世纪，亚里士多德的观点长期占据着统治地位，光学的发展也几乎陷入了停滞。
文艺复兴之后，随着显微镜和望远镜的出现，光学进入了一个新的春天，一个着名的定律也随之诞生了。1601年和1621年托马斯·哈里奥特（1560-1621）和威伦布罗特·斯涅耳（1591-1626）分别在英国和荷兰发现了光的折射定律：光在两种介质中传播，对于给定的界面来说，入射角的正弦和折射角的正弦总是相互保持同一比例。
1637年，笛卡尔在他的《屈光学》中也提出了这个定律。1662年，那位纯数学家费马从最短光程的最小原理中推导出这一定律，从而为这一定律得到学者们的公认作出重大贡献。
现在，该轮到牛顿了。牛顿在三一学院曾认真读过笛卡尔等人的光学理论，但他是一个从来不迷信书本的人，他有自己的想法，要自己动手做实验来验证这些理论的正确性。这是牛顿的一大特色，也是他开创的一种新的研究方式。在此之前，科学家们往往只提出某种假说，而不用实验去验证。但到了牛顿时代，仅仅只提出假说是不够的，还必须以可以复制的实验来验证假说的正确性。
由于经济上的原因，牛顿在三一学院读书期间只买了一块棱镜，这就使得他在做光学实验时只能依靠这一仪器来操作。在乡下躲避瘟疫的那段日子里，百无聊赖的牛顿自己动手磨制了一些形形色色的光学透镜，其中包括一块三棱镜。
如此一来，牛顿就有了两块棱镜，他的光学实验便可以继续了。像在中学和大学时做的实验一样，牛顿关上了门窗，并在百叶窗上钻了一个小孔，以使适量的阳光进来。然后，他把棱镜放在光线入口处，光线因之折射到对面的墙上，现出了美丽的彩虹色。
这已经不是牛顿首次“制造”出彩虹了。但这一次，牛顿的实验更加仔细。他反复移动棱镜，那道彩虹的顺利始终为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。牛顿猜想，这七色光或许原本就是组成阳光的成分，而不是棱镜变出的魔术。
为了验证这一假说，牛顿进行了进一步的实验。他用一块挡板将棱镜分解出的彩虹挡住，然后在挡板上挖了一个小孔，只让一束红光通过，最后再让这束光通过另外一块棱镜。实验结果不出牛顿所料，这束光穿过第二块棱镜之后，只是变的更宽了，再也分解不出其他颜色了。
这就是牛顿着名的色散实验。通过它，牛顿提出了自己的光学理论，即：阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的，每种光都不能再分解了。
牛顿继而想到，既然阳光可以被分解成七色光，那么七色光就能合成白色的阳光。为了验证这一想法，牛顿又做了另外一个着名的实验。他先让一束阳光通过棱镜，然后用一个透镜接收棱镜分解出来的七色光，将其聚合为一束光线。结果，设置在透镜后方的纸板上出现了一个白色的光点，就如同射入棱镜的阳光一样。
牛顿的结论得到了完美的验证。在接下来的3个月里，牛顿不断重复这一实验，并逐步将其归纳为系统的光学理论！
