有一次，他在剑桥郊外的星桥市场上买书的时候，在一个小饰品杂货摊前停了下来。他发现了多棱镜。那天，他什么书也没有买，而是带了一个多棱镜回家了。当时，多棱镜只是作为一种玩具在出售，因为白光照在多棱镜上能够产生非常漂亮的色彩。但是，牛顿立刻意识到这些多棱镜的价值所在。他认为，过去的哲学家们在研究多棱镜对光的作用后得出的结论是错误的。
那么，到底是多棱镜告诉了我们白光里存在的事物，还是多棱镜实际上改变了白光？达卡尔和伦敦皇家学会的大多数人都认为多棱镜把白光转变成了能够产生颜色的光。这就是所谓的“变色理论”，当时没有任何人曾对此提出过质疑。伊萨克·牛顿，当时是一个24岁的大学毕业生，对这种变色理论产生了质疑。就是通过一个小小的多棱镜，牛顿将提出一种非常激进的观点，可能会彻底动摇当时科学界的一些根本观点。在圣三一学院，吃完饭，牛顿就迫不及待地玩弄起他的多棱镜。
但是，在1665年那个炎热的夏天，由于剑桥受瘟疫蔓延的威胁，圣三一学院被迫关门，牛顿只好返回老家沃尔索普。
接下去的两年是牛顿一生中取得的成果最丰富的两年。据说是受到树上掉下的苹果砸到自己的头上而受到启发，牛顿开始对引力和运动进行理论性研究。不过，他真正专注于这方面的研究还是几年后的事情。此时，他所专注的是有关光的一些具有革命性的实验。
牛顿当时在一间屋子里完成了他的一系列多棱镜实验，人们可以想像，光线就是从小洞里进来，照射在窗边的多棱镜灯上，最后在对面的墙壁上投下影像。
太阳光从小洞照射进来，照在多棱镜上，然后在远处的墙壁上形成一个椭圆形的影像。首先要在遮光板上钻一个口径约0。64cm的小洞，接下去要做的就是等待太阳升到合适的角度，以便有一束理想的光线能够穿过这个小洞照射进来。这是实验的第一步，在墙壁上得到了一个非常漂亮的光谱图像。
正如牛顿所意识到的那样，只是得到了一个彩色的光谱并不能证明任何东西。变色理论认为，多棱镜将白光转变成各种颜色。因此，我们所见到的光谱，也能够用这种理论来解释。下一步实验才能够揭示光的实质。
下一步实验需要一块木板，光线投射到一块木板上，然后在某一种颜色的光照射的地方钻个小孔，这样就可以将那种颜色的光分离开。例如，在红光所在的位置把木板钻个小孔，让红光从那儿穿过去。下一步要做的就是再拿一个多棱镜来。把第二个多棱镜放在木板的后面，设法让红光投射到墙壁上。
这就是实验的关键所在。变色理论预言，第二个多棱镜将会把这束红光再次转变回彩虹般的色彩。牛顿则预言，这束红光经过第二个多棱镜后，将仍然是一束红光。
实验结果证明，第二个多棱镜只是改变了通过第一个多棱镜的红光的方向，而没有改变红光的颜色。变色理论这下子解释不通了。通过第二个多棱镜的光仍然是红色的，这表明多棱镜并没有把白光转变成各种颜色，颜色是光所固有的。每种颜色的光弯曲或折射的角度是相同的。牛顿用数字来描述光。牛顿率先倡导使用实验、测量和数学来论证观点的做法，至今仍被定义为科学的方法。
任何一种理论都必须得到实验主管人的批准。此人不是别人，正是变色理论的拥护者，驼背的罗伯特·胡克。
胡克仅仅用了三个小时对牛顿的理论进行了分析。他这样写道：“我不得不承认，我没有看到任何不可否认的论点，因此，我不得不怀疑这种新理论的可信度”。
脾气暴躁且傲慢自负的牛顿这样反击道：“就像我曾经断言的那样，我的理论毫无疑问是真理所在。”最后，在与胡克斗争了15年之后，牛顿出版了他的科学巨著《自然哲学的数学原理》。这部巨著论述了他的万有引力和力学理论，以及一些普遍规律，这些理论和规律至今仍是现代工程学和科学的根基。牛顿在这部巨著里还对时间、空间和运动作了全面的描述。他的批评者们无不对他非凡的才智惊叹不已。牛顿登上了科学界的顶峰。
牛顿在1704年出版了《光学》这本书，但是在此之前，牛顿在1687年出版了一本《自然哲学的数学原理》，提出了运动学的三大定律和万有引力定律，从而奠定了经典力学、也是经典物理学的基础。牛顿的三大运动定律加上万有引力定律，可以说在伽利略的基础上，用数学方法总结出了几个关于物体运动的精确的数学描述。在当时人们的思想当中，天上物体的运动被看作是属于上帝的，地面上物体运动看成是世俗的，那么牛顿三大定律和万有引力定律，就把天上的物体运动和地面的物体运动统一起来了，也就是说把上帝和世俗统一在一块了，这可以说是人类历史上第一次对自然界描述的智慧的大综合，是人类历史上第一次的自然规律的大综合，这个综合就是由牛顿做出来的。
牛顿继承和发扬了伽利略的实验传统和数学的逻辑推理的传统，所以他的运动学的三大定律和万有引力定律，都可以用数学公式来精确表达，他的实验也能够重复进行，所以这就成了真正意义上的近代科学。牛顿所提出的实验方法，用数学来总结物理规律的方法，后来不仅成为物理学的基础，而且也是整个自然科学的基础，因此爱因斯坦给牛顿很高的评价，说在他（牛顿）之前和他之后，都还没有一个人能像牛顿那样影响着整个西方的思想、实践和科学研究的方向。
牛顿奠定了这个方法，总结了几个基础的公式，后来整个物理学在他的方法的基础上，在他所启示的用数学总结规律的基础之上，比如在用他的方法来研究分子的运动，研究刚体的运动，还研究一些气体的运动，所以在这些方面做出了很多成就。在热学、声学、热力学等方面也都做出了很多成就。正在这个时候，电磁学也跟着发展起来了。人们走过了一段很困难的静电阶段，终于走进了电学的领域。这个领域可以说最主要是由法拉第所建立的。
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