小村莊裏的秋天是最愜意的季節，在這秋高氣爽的日子裏，牛頓信步來到戶外後院的花園中，蘋果樹上掛滿了又紅又大的蘋果，空氣中散發著誘人的清香。牛頓找了一棵樹，在樹下又一次陷入了沉思，開始思考起他一直沒有明白的天體運行問題。一個蘋果從樹上掉了下來，正落在牛頓的腳下。
這次一個蘋果的偶然落地，卻帶來了人類思想史上的一個轉折點，它使坐在花園中的這個人開了竅，引起他的沉思：為什麼這個蘋果會落向地麵呢？為什麼它不會飛到天上呢？他一定受到了某種力的作用。
對呀，不光是蘋果，地球上的一切物體，隻要你把它拋向空中它們都會下落到地麵，它們一定是受到了來自地球的某種力。牛頓認為這種力不是磁力。後來，牛頓這樣寫道：
“重力具有與磁力不同的性質，因為磁的吸引力並不與被吸引的物體成正比。有的物體受磁鐵的吸引強一些，有的弱一些，大部分物體則根本不受其作用。在同一個物體中，磁力可以增大或者減少，而且有時對於一定的物質其量遠比重力的強。”
牛頓考慮到了引力，但引力究竟又是什麼，怎樣來證實它的存在呢？他想到伽利略。伽利略對落體運動、慣性運動和拋物體運動的深入研究，使“力”的概念發生了革命性變革。
自亞裏士多德以來，人們一直認為物體之所以發生運動其原因就是力。伽利略卻證明不是這樣，物體有一種慣性，運動者完全可以自己長期運動下去，而不需要力的作用；力隻是物體產生加速或改變方向的原因。
這就意味著，天文學家需要解釋的問題不是行星為何不斷地運動，也不是行星為什麼不按嚴格的圓周運動，而是行星為什麼總是繞太陽做封閉曲線運動，而不做直線運動跑到外部空間去？月球也是這樣。牛頓很快地從伽利略的拋射原理中得到理解。
伽利略在研究拋物運動時發現，一個沿水平方向拋出的物體同時具有兩種運動，一種是水平方向上的勻速直線運動，一種是垂直方向上的勻加速運動，即自由落體運動。
這兩種運動合成的結果便使拋物體沿著一曲線軌跡下落，這個軌跡就是拋物線。伽利略證明：在拋射初速度一定的條件下，當拋射仰角為45度時，拋物體的射程最大。當拋射仰角一定時，拋物體的射程則取決於仰射的初速度和高度。
牛頓設想：把一塊石頭按水平方向拋射出來，如果沒有地心的引力和空氣的阻力，它會恒久地沿著直線勻速行進；但在引力和阻力存在的情況下，它就會沿著一條拋物線的路徑落在地麵，拋射的初速度越大，石塊落地之前行經的路程就越遠。
牛頓終於找到了這個力就是重力，它和地球表麵上使蘋果落地或石塊落地的力是同一個力！
牛頓在發現這一理論後由於數學方麵的製約，一直沒有推導出適用於這一理論的公式。
他便把精力放到了解決數學問題上，等微積分的理論完整後，他才對自己的猜想作出了精確的計算推理確認。
在後來的二十多年的時間裏，牛頓認為這一理論無懈可擊，才在別人的勸說下公布了自己的理論。
※牛頓通過蘋果落地發現了萬有引力定律，這一現象說明：隻要我們善於觀察和思考，就能有所發現。
人類對於光線的認識最早是亞裏士多德的理論，他認為各種顏色都是由亮色和暗色組成的，即白色和黑色組成的。到了牛頓那一時期，這一觀點仍被大多數的科學家接受。
這個觀點認為在所有的顏色中，紅色是最強的、改變最少的、最接近純白色的顏色；而藍色是最弱的、改變最多的、最接近於黑色的顏色。但人們普遍相信光譜中的各種顏色都是由白光變化來的。
牛頓卻不這麼認為，通過觀察認為，這種理論的正確性值得懷疑。他通過實驗得出的證據也不支持這種說法。
他曾用三棱鏡仔細觀察過光線，各種光線通過三棱鏡後，在牆壁上留下了赤、橙、黃、綠、青、藍、紫幾種顏色，無論怎麼改變三棱鏡的角度這種排列都是不變的。
雖然牛頓還沒有就此得出結論來推翻亞裏士多德的關於光線的理論，但他堅信這種關於光線的簡單解釋是不正確的。
在一陣暴雨過後，伍爾索普這個英國的小村莊沉浸在雨後的清新當中，陽光也透過雲層顯現出來。隨著太陽的出現，一彎彩虹也斜掛天邊。
這美麗的彩虹，引來人們的許許多多的遐想，不少美麗動人的傳說都與它有關。看著這美麗的彩虹，牛頓想，它是如何產生的呢？
牛頓通過觀察彩虹現象細心地發現，彩虹的光譜的排列與他在實驗室中觀察到的色彩排列是一樣的，都是按照赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序排列的。
是呀！為什麼它們都按照這種固定的方向排列呢？根據以前的實驗經驗，牛頓現在已有了一套成熟的實驗方法，他預感到，通過這次實驗將要觀察到一些重要現象。
這項實驗對於當時的人們來說是新奇的。牛頓把樓上朝南的臥室密封、遮嚴，在白天室內也是漆黑一片。
然後，在窗板上鑽一個小孔，讓從孔中射入的光線經過一個三棱鏡，結果光線就準確和清晰地投到了對麵的牆上。
但令他驚奇的是，光線投到牆上的光譜呈現的是長條狀，是長方形的光帶，這條彩色光帶很有秩序地排列著赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，不管怎樣變換三棱鏡或轉動三棱鏡，這種次序都不會發生變化。
這種現象，在光學裏麵稱為“色散”現象，而把它的這種有秩序的排列稱為“光譜”。
為了進一步研究這種現象，牛頓又做了一個實驗，用一塊透鏡把經過棱鏡折射後的光譜收集起來，發現它們將會重新回聚變成白光。
所以由此得出，白色是光的通常顏色。因為光線是從發光體的各個部分雜亂地散射出來的，而光是由帶有各種顏色的這些光線所形成的一種混亂的集合體。
如果各組成部分互相間具有一定的比例，那麼，從這樣一種混亂的集合中就會產生出白色。
因而，具有高度感知力的牛頓認為，平常看到的白光是由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色構成的。
當它們通過三棱鏡時，根本沒有變化。除了對光的認識有了突破性的認識外，牛頓的另一個收獲是，他通過光線射過三棱鏡時留下的赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的光斑，如果對它們進行精確的計算，就會得出各自的折射率，那麼就會產生折射率定律。
首製反射望遠鏡
1667年4月，牛頓告別了家人，返回了劍橋。兩年過去了，劍橋在瘟疫結束之後又煥發出勃勃生機，來自於歐洲各地的學子操著十餘種語言在交談著。
園丁在忙著給樹木剪枝，給花壇澆水。
牛頓深深地吸了一大口新鮮空氣，臉上充滿了希望。在重返劍橋之前，牛頓的心中已經形成了力學、光學、數學、天文學的理論框架。
回到寓所，剛剛打掃了一下房間，牛頓聽到有人在敲門。“請進！”門開了。牛頓一見是巴羅教授。
巴羅教授驚奇地喊道：“噢，我是在校門口聽說你回來了，便過來看看。歡迎你回來，牛頓先生。”巴羅教授伸出手去。
看到巴羅先生如此熱情，牛頓十分激動，不知為什麼，在巴羅麵前，他總是沒有任何顧慮，仿佛在兩人之間有親情關係似的。一番寒暄之後，兩人開始切入正題，牛頓向巴羅教授談起了這兩年來在伍爾索浦的生活、學習情況。
牛頓不知疲倦地向巴羅教授說著，說得最多的還是自己對萬有引力、光學、天文學進行的思考與研究，講到重點處，便拿出紙筆又寫又畫，全然忘記了晚飯時間已經過去。此時的他或許還不知道，這一階段在其頭腦中所形成的理論框架將注定使他名爍古今。
巴羅教授耐心地聽著，時而欣喜地微笑，時而費神地思考以致擰緊了眉頭。他發現，牛頓在這兩年中學識有了巨大的飛躍，真應當刮目相看。從牛頓在幾個不同學科的基本思想上來看，他已經掌握了前人的精華，並在大量的實驗基礎上經過精心的推斷論證，從而推導出自己的結論。巴羅教授還清晰地記得他送開普勒所著《光學》給牛頓的情景，但而今牛頓在光學上的研究與發現已遠非開普勒所能相比的了。
當牛頓還不大好意思地講到，自己是因為受到蘋果落地的啟發才開始思考萬有引力的問題時，巴羅教授心中不禁一動，天才！隻有天才才能夠發現蘊含在平凡之中的真理。
此時他知道，牛頓必將成為一名偉大的科學家，注定因其博大精深的思想與對世界無與倫比的貢獻為後世所銘記。想到這裏，巴羅教授欣慰地笑了。
“巴羅先生，你笑什麼？”正說得滔滔不絕的牛頓看到巴羅教授突然笑了，十分不解。
巴羅教授真誠地說：“哦，沒什麼，伊薩克，沒有想到在這麼長時間內你的學業、研究竟一點沒有荒廢。真為你取得的成就感到高興。”
“啊，我隻是想憑借實驗解開心中的疑慮罷了，但要取得最終的結果，還需要大量的時間和優良的實驗儀器。”
“這沒有問題，現在學校已經複課，你的研究會慢慢地步入正軌。對了，你下一步有什麼打算？”
“我想繼續光學方麵的研究，看能不能再發現些什麼。”
這一晚，牛頓與巴羅教授談天說地，評古論今，促膝長談，直至深夜。
自此，兩人都覺得他們之間的友情更加親密了。
回到劍橋後，除了巴羅教授，牛頓並沒有將自己的發現和發明告訴他人，把沒有考慮得完全成熟的東西拿出來炫耀，一向不是牛頓所為，這種輕率的舉動令他鄙視。
牛頓一回到學校，就一頭紮進他的研究之中。他在鼠疫期間產生的那些重大思想雖然在他外表上看不出什麼，但內心卻激動不已。
牛頓非常清楚他的研究有許多問題沒有明白，他必須繼續探索，徹底弄清。然而，他被那些未知的問題深深地吸引住了，強烈的追求精神使他深沉浸其中。
牛頓現在要做的第一件事就是製造出一架望遠鏡。在鼠疫期間，他對色散的實驗和研究，使他相信找到了老式折射望遠鏡成像模糊不清的原因，因而他急於要製造一架新的望遠鏡來驗證自己的應用理論的正確性。
牛頓忙著用鑽頭、錘子、圓規、磁鐵、棱鏡和其它材料磨製玻璃透鏡，加工金屬構件。與此同時，他還空出時間，忙於自己的學業。
他曾到倫敦去購置了研究光學和製造望遠鏡所急需的一些設備和材料，然後專心致誌地研製反射望遠鏡。
在牛頓以前，進行天文觀測的儀器是折射式望遠鏡，它最初是由荷蘭的一名叫利特斯的眼睛匠發明的。
當時，人們隻是把它作為一種新奇的玩物，況且它的有效距離也不太遠。到了1609年，伽利略通過改進，做成了折射式望遠鏡，從而運用於天文研究。伽利略的折射式望遠鏡是按照光的折射原理製成的，就是由兩片透鏡和一根長筒組成，靠近物體的透鏡叫做物鏡，而靠近觀測者的叫作目鏡。利特斯的望遠鏡隻能放大3倍，而伽利略望遠鏡可以放大到30倍。
1609年6月，伽利略用自製的望遠鏡，觀測到了月球表麵起伏的山脈和火山口。1610年1月，他又發現了環繞木星的4顆衛星，還有太陽黑子現象。伽利略用他自製望遠鏡進行了一係列的新發現，這開創了天文觀測的一個嶄新的紀元。伽利略因此而被譽為“天空中的哥倫布”。
後來，開普勒又對伽利略的望遠鏡進行了改進，製成了開普勒望遠鏡，雖然仍是折射式的，但它克服了伽利略望遠鏡的範圍小、不方便觀測等缺點，同時，放大的倍數也顯著提高了。因此，以後天文學觀測多采用開普勒望遠鏡。
折射式望遠鏡，大大推動了天文學的發展進程。但是，隨著觀測精度的不斷提高，折射望遠鏡也存在著不足，望遠鏡的色差，使觀測的物象很模糊。為了解決這一問題，天文學家做了大量實驗，最終找到了方法：使物鏡和目鏡的距離拉大。雖然解決了一時的問題，可也帶來了許多不便。
到了17世紀中葉，隨著天文事業的不斷發展，需要一種簡便、觀測精確的望遠鏡來代替折射式望遠鏡。
完成這一偉大改進的人就是牛頓。牛頓通過在家鄉的研究，發現了白光的合成性質，同時發現，由於每一條光線的折射率不同，從而形成色散現象。
正是這些發現讓牛頓得出最後的結論：當時所用的折射望遠鏡的主要缺陷不是由於物鏡的球麵像差，而是由於物鏡的色像而使得所成物像帶有彩色邊沿。
所以，根據折射原理製作的任何望遠鏡，都無法消除色像差這一毛病，隻有根據新的原理，製造反射望遠鏡，這一問題才能得以解決。
牛頓就在他那所靠近教堂的寓所底層的小房間裏幹起來了。他自己動手用小小的金屬鏡子來做反射望遠鏡，他花了很長一段時間來磨光鏡子的凹麵，必須磨得非常光而且還帶有一定的曲度，才能清楚地接受射來的光線並使之聚焦。這種別出心裁的裝置被人們稱之為“牛頓裝置”。
牛頓利用光譜原理，設計製造的望遠鏡就叫做牛頓望遠鏡。這是世界上的第一架反射望遠鏡。這架望遠鏡很小，隻有六英寸長，直徑一英寸，然而卻能放大40倍，並且是手工製造。
當他第一次在晚上用這架望遠鏡指向星空時，影像清晰明亮，顏色條紋的幹擾完全消除了，也清晰地看到木星和它的四個衛星，找到了金星的位置。他實在是太激動了。
製造反射望遠鏡的消息傳到皇家學會，給大家帶來一個驚喜，人們都要先睹為快。
9月份的時候，牛頓把這架望遠鏡送給了皇家學會，並且附上一封信，說明製造這架望遠鏡的指導思想。
堅守崗位搞科研
返回劍橋12個月後，牛頓麵臨研究員選舉，這是他迄今所麵臨的第一次選舉，也是最重要的一次選舉。就像三年前他對獎學金的名額競爭一樣，牛頓的整個未來都關係到這次選舉的結果。
這次選舉關係重大，將決定牛頓是否繼續留在劍橋大學，課題研究是否繼續進行，也可以這樣說，是否要回到林肯郡，是否回到他的家庭背景所能安排的鄉村牧師職位上去，這所有的一切都將這次選舉決定。
從表麵上看，牛頓成功的機會不是很多，因為三一學院三年沒有進行選舉了，隻有九個待補名額；有一部分學生享有某種特權，而政治影響也起了很大的作用，那些有關係的便接近王室成員，想方設法弄到國王的委任信函，於是指定要選舉他們了。
剩下的就隻有靠院長和八位高級研究員選擇了，這對他們影響力的炫耀到處可見。在9月的最後一周，候選人必須坐在教堂裏四天，要接受高級研究員們嚴格的考核，而這些課程，牛頓已經將近四年沒有碰過了。
在這種形勢下，這位往日的減費生不管付出多大努力，被選舉的機會真的是渺茫啊！如果他也有人讚助的話，那麼他勝出的機會就大了。
這次選舉會使牛頓成為學院委員會的永久成員，並且，按他的理解，從此他便可以自由地做研究了。的確，還要再上一兩級。
1667年10月，牛頓成為學院研究員時的位置不是那麼重要，九個月後，他被授予了文科碩士，這才登上重要研究員的位置。授予碩士學位隻是一個形式而已，但也從來沒有聽說哪個人拒絕過。
在以後的七年中，最後一步隨時都會到來。除兩名特定成員外，學院60名研究員的任職，在獲得文科碩士學位後，七年之內要獲得牧師的身份。1667年10月2日，牛頓成了三一學院的研究員。
獲得碩士學位後，牛頓在三一學院生活了28年。這些年大致上也正是劍橋大學與三一學院最艱難的時期，因為這段時間國家處於動亂時期。不論他當初的願望是什麼，都沒有找到一個誌趣相同的學者圈子。
牛頓作為一個追求真理的哲學家，他發現自己身處那些有了職位卻還在找位置的人中間。他的全部創造生活的背景也正是由於這一基本事實染成了顏色。
牛頓不太適應學院的生活，這對他是非常有利的。因為研究員生活中的瑣事逐漸多起來，完全可以將有希望的人抹殺掉。
牛頓不論在何種情況下，都會熱情地用心鑽研，他遠離群體生活，自己獨處，完全投入到了對知識的追求當中。
學院的管理手冊證明他很少離校。1669年，即學院管理手冊指的時到1669年9月29日米加勒節結束的前12個月，牛頓有52個星期全在校；1670年，牛頓49周半在校；1671年，牛頓48周在校；1672年，牛頓48周半在校。就是離校，一般也隻是回家看看，但時間不是很長。
十年後，牛頓發現他去教堂的次數非常的少，因為他每晚要工作到淩晨兩三點。通過此事表明，他一直都在用心研究，很少中斷，晚上去教堂也隻是去比較近的聖馬利亞教堂。
在他讀本科時，學院的寬鬆管理就曾幫過他的忙，現在對他也是十分有利的。牛頓的同時代研究員喬治·莫特和帕德利克·科克等人，在學院孤獨、單調地生活了將近40年，既沒有去教書，也沒有做任何研究，校方也沒有追究他們的責任，同樣也不會追究牛頓的。
牛頓利用了所有的空閑時間，這讓其他會感到不安，但是學院管理的精華所在就是寬容。
研究員的薪水主要是用來支持研究的，靠它進行孜孜不倦的研究，總比用它去生利息賺錢有意義。在這樣一種寬容的大力支持下，牛頓更放心做研究了，完全是自由自在，無拘無束，隨心所欲。
現在的牛頓認為：隻需避開三件不可饒恕的過失，即犯罪、異教與婚姻，他的研究就能繼續做下去。
事實上，牛頓真就終生未娶。
接受數學教授一職
1669年的春天，氣候轉暖，河流中的冰層開始融化，樹枝也發出了嫩芽。人們脫去了厚厚的冬裝，盡情享受春天帶給他們的歡樂。
但這一切都與巴羅教授無緣，此時此刻，他正躺在臥室的床上，身上蓋著兩條毛毯，眼睛無神地望著天花板。
巴羅教授的身體一直不好，傷風、咳嗽、失眠，還發低燒。作為第一任盧卡斯數學教授，巴羅教授學識廣博，無論光學、數學、物理學的課程都可做到讓學生滿意。
如果能有一個人，學識和品德都能替代自己繼續盧卡斯數學課程，讓自己放手進行研究，那有多好啊！巴羅教授不止一次地這樣想。
其實巴羅教授心裏倒真的有一個合適的人選，如果他當選，一定會很稱職。而今，躺在床上的他似乎早已做好了決定，隻待一個恰當的時機來捅破這層窗戶紙。
一陣輕輕的敲門聲打斷了巴羅教授的思緒。巴羅教授有氣無力地叫道：“進來！”
“巴羅先生，你好些了嗎？”如此熟悉的聲音，令巴羅教授精神為之一振：牛頓來了。
“啊，好多了，謝謝，你好嗎，伊薩克？”巴羅教授見是自己最喜愛的學生，掙紮著要從床上坐起來。連忙阻止：“我很好，剛剛下課，順路來看看你。”
“你能來真是太好了，我正想找你談一件事。”巴羅教授凝視著牛頓，“我已決定辭去盧卡斯數學教授的職務。”
“什麼？”牛頓簡直不敢相信自己的耳朵，他大大地吃了一驚，“為什麼？”
巴羅教授苦笑了一下，說：“我的身體狀況大不如前了，如果在從事課堂教學的同時再進行個人的課題研究，必定造成精力上的分散，因此我決定辭去數學教授一職，從此專心於神學、數學的研究。而且，我要你接任這個職位。我已經把這個意思口頭轉達給了校方，在完全康複之後，我會給出正式的書麵報告。”
即使天立刻在牛頓麵前塌下來，也不會讓他比此刻更吃驚了，他搓著雙手，說不出一句話來。
“同意嗎？我想聽聽你的看法，伊薩克。”巴羅教授用企盼的眼光看著牛頓。
望著真誠的老師，牛頓心頭一熱，幾乎掉下淚來。在以前，巴羅或多或少地跟他提過這件事情，但他隻把這作為老師對學生的一種勉勵。沒有想到，巴羅先生竟會不顧其他人的反對推薦他做自己的後繼者。
牛頓臉紅紅地說道：“不，巴羅先生，我的年紀還輕，不能擔任如此重要的職務。”
“那有什麼關係，要擔任這個職務，有廣博的學識就夠了，除了你之外，我實在想不出還有誰適合這個位置。”巴羅誠懇地說，“不要再說了，伊薩克，你肯定能行，我相信你！”
知道老師是如此相信自己，牛頓心裏清楚已經不好再推辭了，他站了起來，畢恭畢敬地給巴羅先生鞠了一躬。“巴羅先生，感謝你的信任，我一定不負你所托！”
兩個人的手緊緊地握在了一起。
巴羅教授休息兩個月後剛剛好些，便給學校方麵寫了書麵申請，推薦牛頓做盧卡斯數學教授。巴羅的能力在劍橋是大家都公認的，在歐洲數學家中也有一定的影響。校方批準了巴羅的教授決定。
牛頓接受了這個象征著學術最高權威的崇高榮譽後，內心充滿了無限的喜悅。這一職位的工作並不繁重，每星期隻需要講授一節課，和他的學生聚首兩次，來討論他們提出的問題。
由於牛頓這個時候的主要精力是研究光學，所以他決定講授光學。但是牛頓講課的情況卻不太好。
他說話很慢，而且講課時內容幹巴巴的，聲音不清，總之毫無生動感，這樣學生聽起來味道一般，這大概和他的不善表達有關吧。
另外，牛頓講課的方法也與眾不同，他不是逐步深入，循循善誘，而是直接把自己試驗的結果或對某個問題的研究結論講給學生聽，聽起來沒頭沒尾的，常常搞得學生摸不著頭腦。學生開始有的打瞌睡，有的左顧右盼，到了後來幹脆連課都不上了。
有時候，當一個學生都沒有時，牛頓隻得把他的講義收起來，回去做他的實驗，也許牛頓天生就不是一個當老師的材料。