Isaac Newton
Sir Isaac Newton PRS, FRS (juliaanisen kalenterin mukaan 25. joulukuuta 1642 – 20. maaliskuuta 1726, gregoriaanisen kalenterin mukaan 4. tammikuuta 1643 – 31. maaliskuuta 1727) oli englantilainen fyysikko, matemaatikko, tähtitieteilijä, alkemisti ja filosofi. Newton loi perustan klassiselle mekaniikalle teoksessaan "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" vuonna 1687. "Principiassa" Newton esitteli painovoima- ja liikelakinsa. "Principiaa" pidetään Keplerin 1600-luvun alussa aloittaman tieteellisen vallankumouksen kohokohtana. Newtonia pidetään Gottfried Leibnizin ohella differentiaali- ja integraalilaskennan keksijänä.
Newtonia pidetään myös modernin optiikan kehittäjänä. Hän huomasi, että valkoinen valo koostuu useista eri väreistä eli eri aallonpituuksista, jotka taittuvat eri tavalla prismassa ja synnyttävät spektrin. Hän myös ymmärsi, että spektri voitiin koota uudelleen valkoiseksi valoksi toisella prismalla. Newton loi empiirisen jäähtymislain sekä tutki äänen nopeutta. Newton keksi myös oman version peilikaukoputkesta huomattuaan linssien aiheuttavan väriaberraatiota, joka oli vältettävissä peileillä.
Newton toimi Englannin parlamentissa, joskaan ei ollut aktiivinen jäsen, sekä Englannin rahapajan Royal Mintin johtajana. Myöhempi tutkimus on osoittanut, että Newton oli vahvasti uskonnollinen ja hänellä oli laaja kokoelma okkultistisia kirjoituksia. Newton tutki myös alkemiaa.
Isaac Newton syntyi Woolsthorpe-by-Colsterworthin kylässä Lincolnshiressä Woolsthorpen kartanossa 25. joulukuuta vuonna 1642 silloin käytössä olleen juliaanisen kalenterin mukaan (nykyisen ajanlaskun mukaan 4. tammikuuta 1643). Hän syntyi ennenaikaisena eli keskosena, eikä hänen odotettu selviytyvän ensimmäistä elinpäivää pitempään. Newtonin isä, hänkin nimeltään Isaac Newton, kuoli noin 1. lokakuuta vuonna 1642 eli kolme kuukautta ennen esikoisensa syntymää. Isaac Newton vanhempi oli kohtalaisen varakas maanviljelijä, joskaan hänellä ei ollut minkäänlaista koulutusta. Tiettävästi hän ei edes osannut kirjoittaa omaa nimeään.
Isaac Newtonin äiti Hannah Ayscough solmi uuden avioliiton North-Withamin kirkkoherra Barnabas Smithin kanssa. Isaac oli tuohon aikaan kaksivuotias. Hänet jätettiin uuden avioliiton jälkeen äidinäitinsä Margery Ayscoughin hoidettavaksi Woolsthorpeen. Hänen lapsuutensa ei ollut kovinkaan onnellinen, ja häntä kohdeltiin kuin orpoa. James Ayscoughia, Isaac Newtonin äidinisää, ei mainita missään Newtonin myöhempää elämää koskevissa teksteissä. Hän kuoli Isaacin ollessa 10-vuotias eikä jättänyt tälle testamentissaan mitään. Arvioiden mukaan Isaacin ja hänen isoisänsä välillä ei ollut minkäänlaista suhdetta. On myös ilmeistä, että Newton oli syvästi katkera äidilleen ja isäpuolelleen, koska nämä olivat hylänneet hänet.
Newton kävi aluksi pientä kyläkoulua Stoke Rochfordissa ja sitten Skillingtonissa. Sitten hän aloitti opiskelun Grantham Grammar Schoolissa. Granthamissa hän asui paikallisen apteekkarin William Clarken luona, joskin matka koulusta kotiinkin oli vain viisi mailia (8 km). Isaac on itse kertonut, että hän ei ollut lainkaan ahkera opiskelija eikä suoriutunut opinnoista kovin hyvin. Häntä on luonnehdittu hyvin rauhalliseksi ja ujoksi, mutta hän oli myös osallisena riidoissa.
Eräänä päivänä Isaac oli matkalla kouluun, kun samaa koulua käynyt poika potkaisi häntä kipeästi vatsaan. Koulun jälkeen Isaac haastoi kiusaajansa, joka oli myös luokkansa paras opiskelija, tappeluun. Isaac kaatoi kiusaajansa maahan ja työnsi tämän kasvot mutaan. Isaacin voitettua tappelun muut oppilaat alkoivat arvostaa häntä. Itse hän ajatteli, että jos hän pystyi voittamaan kiusaajan tappelussa, miksei hän voisi olla myös parempi opiskelija. Pian hänestä tulikin luokkansa paras.
Koulussa Isaac piti eniten opiskelusta yksin ja mekaanisten esineiden rakentelusta. Hän rakensi muun muassa tuulimyllyjä, vesikelloja ja aurinkokelloja. Hänen väitetään myös keksineen nelipyöräisen vaunun, jota ratsastaja ohjaa. Hän myös aiheutti yhden ensimmäisistä ufohavainnoista lennättämällä myöhään illalla leijaa, johon oli sidottu paperilyhty.
Isaac Newtonin isäpuoli kuoli 71-vuotiaana vuonna 1653, ja hänen äitinsä muutti vuonna 1656 takaisin Woolsthorpeen. Isaac asui suurperheessä, johon kuuluivat hänen ja äidin lisäksi myös isoäiti, velipuoli Benjamin sekä sisarpuolet Mary ja Hannah. Hänellä ei ollut muita veljiä tai sisaruksia. Isaacin äiti oli muuttanut takaisin, koska toivoi, että pojasta tulisi maanviljelijä ja sukutilan jatkaja, ja otti siksi poikansa pois koulusta. Isaacilla ei kuitenkaan ollut minkäänlaisia maanviljelytaitoja eikä hän edes halunnut oppia niitä. Erään tarinan mukaan hän piileskeli opiskelemassa, kun hänen olisi pitänyt olla Granthamin torilla myymässä tilan tuotteita. Isaacin eno päätti ottaa ohjakset käsiinsä ja määräsi pojan takaisin kouluun, jotta tämä voisi valmistautua yliopistoa varten. Nyt Grantham Grammar Schoolin rehtori, Henry Stokes, lupautui ottamaan pojan luoksensa asumaan veloituksetta. Newton aloitti opiskelun uudelleen vuoden 1660 syksyllä lähinnä Trinity Collegeen pääsyä varten.
Vuonna 1661 Newton aloitti opinnot Trinity Collegessa, Cambridgessa. Pian hän alkoi saada vaikutteita vanhemmilta oppineilta, jotka olivat huomanneet hänen lahjakkuutensa ja kannustivat häntä opiskelussa. Tärkeimpiä näistä olivat yliopiston opettajat Henry More ja Isaac Barrow. Molemmat olivat luonnonfilosofeja mutta harrastivat lisäksi alkemiaa, ja tämän kiinnostuksen he juurruttivat myös Newtoniin. Teologi ja matemaatikko Isaac Barrow’n vaikutuksen Newtoniin arvellaan olleen erittäin merkittävä. Noihin aikoihin koulun opetus perustui ennen muuta Aristoteleen kirjoituksiin, mutta kolmantena lukukautena opinnot olivat jo vapaampia ja Newton pääsi lukemaan moderneja ajattelijoita, kuten Descartesia, Pierre Gassendia, Galileo Galileita, Nikolaus Kopernikusta, Johannes Kepleriä ja erityisesti Robert Boylea.
Abraham de Moivren mukaan Newtonin kiinnostus matematiikkaa kohtaan heräsi syksyllä vuonna 1663, jolloin hän osti astrologiaa koskevan kirjan messuilta Cambridgessa. Pian hän huomasi, ettei ymmärtänyt lainkaan siinä käytettyä matematiikkaa, joten hänen oli opeteltava sitä enemmän. Yrittäessään lukea trigonometriaa käsittelevää kirjaa hän huomasi pian myös geometrian osaamisensankin olevan heikkoa. Hän päätti aloittaa geometrian opiskelun lukemalla Barrow’n kääntämän teoksen Eukleideen "Alkeet". Luettuaan "Alkeet", jonka lukemisen hän oli vähällä lopettaa kesken, hän jatkoi opiskelua William Oughtredin "Clavis Mathematica" -teoksen avulla ja jatkoi vielä Descartesin "La Géométrie'hin" sekä moniin muihin kuuluisten matemaatikkojen teoksiin.
Vuonna 1665 hän kehitti myöhemmin Newtonin binomikaavaksi nimetyn lauseen ja alkoi myöhemmin tutkia differentiaalilaskentaan johtanutta matematiikkaa. Newton valmistui yliopistosta samana vuonna, mutta yliopisto suljettiin pian, koska Lontoossa riehunut paiserutto oli levinnyt myös Cambridgeen. Newton palasi kotiinsa ￼￼Woolsthorpeen Lincolnshireen, jossa hän kahden vuoden ajan työskenteli optiikan, mekaniikan, painovoiman ja differentiaalilaskennan parissa.
Kun Trinity College taas aloitti toimintansa vuonna 1667, Newton valittiin opettajakuntaan. Kaksi vuotta myöhemmin, hieman ennen kuin hän täytti 27 vuotta, hänet valittiin Barrow’n seuraajaksi Lucas-professoriksi. Enimmäkseen Newton luennoi tutkimusaiheistaan, matematiikasta, optiikasta ja mekaniikasta. Pääosan ajastaan hän käytti tieteelliseen tutkimukseen. Hänellä oli varsin vähän oppilaita, eikä hän opettanut paljon. Newtonin luennot eivät herättäneet mielenkiintoa, koska hänen sanotaan luennoineen hyvin vaikeaselkoisesti.
Newton hyväksyttiin vuonna 1672 Royal Societyn jäseneksi, ja samalla hän esitteli kehittämäänsä peilikaukoputkea. Samana vuonna Newton julkaisi ensimmäisen tieteellisen artikkelinsa, joka käsitteli valoa ja värejä, Philosophical Transactions of the Royal Society seuran sarjassa. Newtonin esittämiä ajatuksia myös vastustettiin. 
Robert Hooke ja Christiaan Huygens kritisoivat sitä, että Newton pyrki osoittamaan valon olevan pienten hiukkasten liikettä. Hooken ja Newtonin välit heikkenivät selvästi vuonna 1675, kun Hooke väitti Newtonin varastaneen häneltä joitakin optiikkaan liittyviä tuloksia.
Kirjeiden perusteella tiedemiehet sopivat riitansa, mutta Newton etääntyi Royal Societystä, koska Hooke oli yksi seuran johtajista. Newton julkaisi optiikkaa käsittelevän teoksen "Opticks" (1704) vasta Hooken kuoleman jälkeen. Hän kävi valoteoriastaan myös kiivasta kirjeenvaihtoa englantilaisten jesuiittojen kanssa. Tämä kirjeenvaihto johti Newtonin henkiseen väsymykseen ja vakavaan emotionaaliseen kriisiin vuonna 1678. Seuraavana vuonna hänen äitinsä kuoli, minkä jälkeen hän oli tekemisissä toisten ihmisten kanssa mahdollisimman vähän. Yhdeksän vuoden kuluttua hän julkaisi pääteoksensa, "Principian".
Newton koki seuraavan romahduksen vuonna 1693. Tämän jälkeen hän jäi sivuun aktiivisesta tutkimustyöstä. Romahdukselle on ehdotettu useita vaihtoehtoisia syitä: Newton oli saanut myrkytyksen alkemististen kokeiden seurauksena, hän oli turhautunut omiin tutkimuksiinsa, hänen ystävyytensä sveitsiläissyntyisen Fatio de Duillierin kanssa oli päättynyt, ja hän kärsi uskonnollisista ongelmista. Newton itse syytti vähäistä unta, mutta se oli ehkä pikemminkin ongelman oire kuin syy. Newton kärsi mielenterveydellisistä ongelmista koko elämänsä ajan.
Useat Newtonin teksteistä tuhoutuivat hänen laboratoriossaan sattuneessa tulipalossa vuonna 1693. Tarinan mukaan palon aiheutti Newtonin koira Diamond, joka hyppäsi pöydälle ja kaatoi kynttilän, minkä seurauksena 20 vuoden työ tuhoutui. Tapahtuman jälkeen Newtonin kerrotaan sanoneen koiralleen: ”Voi Diamond, Diamond. Minkä vahingon sinä pikkuinen oletkaan tehnyt.” Historioitsijat eivät ole kuitenkaan täysin varmoja edes siitä, oliko Newtonilla koskaan koiraa.
Newton oli Englannin parlamentin jäsen Cambridgen yliopiston edustajana vuosina 1689–1690 ja 1701–1702.
Ainoa muistiinpantu kommentti, jonka Newton lausui parlamentin täysistunnossa, oli ehdotus ikkunan sulkemisesta vedon estämiseksi.
Vuonna 1696 Newton siirtyi töihin kuninkaalliseen rahapajaan Royal Mintiin, jossa oli käynnissä suuri rahauudistus, Great Re-coinage of 1696, ja vuonna 1699 hänestä tuli rahapajan johtaja.
Rahapajan johtajana Newtonista tuli myös hyvin rikas. Vuonna 1701 hän vetäytyi velvollisuuksistaan Cambridgessa.
Kahden vuoden kuluttua hänestä tuli Royal Societyn puheenjohtaja, ja hänet valittiin uudelleen joka vuosi aina kuolemaansa asti. Royal Societyn puheenjohtajana Newton johti Englannin tiedettä. Asemansa vuoksi hän joutui riitoihin kuninkaallisen tähtitieteilijän John Flamsteedin kanssa. Vuonna 1705 Englannin kuningatar Anna löi Isaac Newtonin ritariksi. Newton oli ensimmäinen tiedemies, joka lyötiin ritariksi. Newtonia ei tosin aateloitu työstään tieteen parissa tai rahapajassa.
Newtonin viimeiset vuodet olivat raskaita. Hänen ja Leibnizin välille puhkesi kiista siitä, kumpi keksi differentiaalilaskennan ensimmäisenä. Newton työskenteli laskennan parissa paljon aikaisemmin mutta julkaisi tavalliseen tapaansa tulokset myöhään. Leibniz oli sillä välin ehtinyt jo julkaista oman tutkimuksensa. Nykyään kunnia laskentatavan keksimisestä annetaan molemmille. Newtonia arvostettiin hyvin paljon, vaikka hän sai osakseen myös kritiikkiä.
27. toukokuuta 1722 Newton muutti Etelä-Lontooseen Kensingtoniin keuhkotulehduksen takia. Hän kuoli 83-vuotiaana Kensingtonissa 20. maaliskuuta 1727, ja hänet haudattiin suurin juhlallisuuksin Westminster Abbeyn hautausmaalle. Voltaire oli läsnä Newtonin hautajaisissa, ja hänen mukaansa hautajaiset olivat kuin kuninkaan, joka oli tehnyt työnsä hyvin. Newton ei koskaan mennyt naimisiin, eikä hänellä ollut lapsia. Hän oli tosin kerran kihloissa, mutta kihlaus ei johtanut avioliittoon.
Newton oli luonteeltaan eristäytynyt ja vakava. Hän oli myös äkkipikainen, minkä hän itsekin tiedosti ja pyrki välttämään julkisia kiistoja. Joidenkin kertomusten mukaan hän nauroi koko elämänsä aikana vain kerran, joten hänen tapauksessaan nimi ei ollut enne: Isaac nimittäin tulee hepreankielisestä sanasta, joka tarkoittaa ”Hän, joka nauraa”. Newtonin ystäväpiiri oli varsin pieni, eikä hän puhunut tunteistaan kenellekään. Newtonia pidettiin jo elinaikanaan ihmisenä, joka kykeni ymmärtämään muilta salattuja totuuksia, eikä hän pyrkinyt vähentämään itseensä kohdistuvaa palvontaa. Nykyaikaisten tutkimusten perusteella on arvioitu, että Newton kärsi Aspergerin oireyhtymästä.
Newton oli myös hyvin uskonnollinen, mistä syystä hän oli haluton julkaisemaan tutkimuksiaan, kuten "Principiaa". Arvellaan, että Newton piti tutkimuksiaan itsensä ja Jumalan välisinä salaisuuksina, jotka vain ”valitut” kykenisivät selvittämään. Hän uskoi, että tutkimusten avulla voitaisiin lopulta saada selvyys Jumalan perimmäisistä ajatuksista. Hän myös halusi mustasukkaisesti varjella tutkimustensa tuloksia, jotteivät ne joutuisi väärien ihmisten tietoon, ja siksi hän julkaisi tutkimuksiaan vasta kun muut tutkijat olivat päässeet hänen kannoilleen. Tämä johti moniin riitoihin toisten tiedemiesten kanssa, joista kuuluisin oli Leibniz.
Newton oli uskonnolliselta suuntaumukseltaan areiolainen, eli hän ei uskonut Jumalan kolminaisuuteen. Vakaumuksensa hän piti salassa, sillä tuohon aikaan kolminaisuusoppia vastustaneita vainottiin. Koska Newtonin lähtökohtana olivat alkukristilliset periaatteet, hän piti katolista kirkkoa Ilmestyskirjan petona.
Newton on itse kertonut, että hän teki tärkeimmät matemaattiset työnsä vuosina 1665–1667. Newtonin matematiikan perusteemana oli muuttuvien suureiden kalkyylin kehittäminen laskennallisesti käyttökelpoiseen asuun ja tämän kalkyylin käyttäminen liikeongelmien käsitteelliseen ja laskennalliseen hallitsemiseen.
Newton kehitti systemaattisten sarjojen teoriaa, joka liittyi muun muassa John Wallisin ja William Brounckerin töihin. Vuonna 1669 valmistunut kirjoitus "De analysi per aequationes numero terminorum infinitas" julkaistiin vasta vuonna 1711. Kirjoituksessa esiintyy äärettömien sarjojen teoria ensimmäisen kerran itsenäisenä osa-alueena, jolla on omat menetelmänsä. Toinen Newtonin matemaattinen kirjoitus oli "De methodis serierum et fluxionum", joka julkaistiin Newtonin kuoleman jälkeen vuonna 1736 englanninkielisenä käännöksenä "On the Methods of Series and Fluxions".
Newtonin matemaattiset työt merkitsivät monien 1600-luvun matemaatikkojen, kuten Pierre de Fermat'n, Francesco Cavalierin ja Blaise Pascalin kehittämien tangentinmääräys- ja pinta-alalaskentamenetelmien yhtenäistämistä kalkyyliksi. Newtonista riippumatta Gottfried Leibniz kehitti myös samantapaisen kalkyylin, joka tunnetaan nykyään differentiaali- ja integraalilaskentana. Näiden kehitys oli välttämätöntä nykyaikaisen matemaattisen analyysin ja fysiikan synnylle.
Newtonin sisäpiirin mukaan Newton oli työskennellyt metodinsa parissa vuosia ennen Leibniziä. Toisaalta on epäilty, että Newton olisi plagioinut Leibnizin töitä, mutta Leibnizin ei uskota plagioineen Newtonia. Toisen teorian mukaan Jean Bernoulli oli antanut sekä Newtonille että Leibnizille kaksi matemaattista ongelmaa ratkaistavaksi. Newton ratkaisi ne nopeammin ja todisti näin keksineensä laskennan itse. Newton ei kuitenkaan julkaissut mitään uuden laskutavan keksimiseen viittaavaa työtä ennen vuotta 1693. Leibniz taas oli julkaissut jo yhdeksän vuotta aiemmin omiin menetelmiinsä perustuvia teoksia. Tämä johti Leibnizin ja Newtonin väliseen ikävään riitaan.
Newton tutki myös algebraa ja ilmeisesti luennoi siitä Cambridgessa vuosina 1673–1684. Newtonin vuonna 1707 julkaisema oppikirja, "Arithmetica universalis", käsittelee klassista yhtälöteoriaa. Newton nimitti fluenttiensa eli funktioidensa x ja y ”aikaderivaattoja” fluksioiksi. Fluksioiden merkitsemiseen hän käytti merkintöjä formula_1 ja formula_2. Fluentteja hän merkitsi heittomerkkien avulla: formula_3 ja formula_4. Fluksioiden merkintätapaa käytettiin Englannissa matematiikassa vielä 1900-luvulla, ja mekaniikassa niitä käytetään yleisesti edelleen.
Varhaisimmat Newtonin fysiikan tutkimukset kohdistuivat optiikkaan. Hän havaitsi, että väriaberraation poistamiseksi kaukoputken linssi olisi korvattava peilillä. James Gregory oli tosin jo aikaisemmin esitellyt kahdesta peilistä koostuvan kaukoputken periaatteen, mutta hän ei onnistunut valmistamaan tarpeeksi hyviä peilejä. Newton rakensi ensimmäisen peilikaukoputken vuonna 1668, ja parannetun kappaleen hän esitteli Royal Societylle vuonna 1671. Newton kehitti peilikaukoputkea noin kymmenen vuotta, mutta huonon näkönsä takia hän ei koskaan käyttänyt kaukoputkea tähtitieteellisiin havaintoihin.
Isaac Barrowilta Newton sai virikkeen värioppia koskeviin tutkimuksiin. Newton laati vuosina 1664–1666 tutkielman "New Theory about Light and Colors". Hänen perusajatuksensa oli, että valkoinen valo koostuu erivärisistä säteistä, jotka taipuvat prismassa eri tavalla, ja sen seurauksena valo hajoaa spektriin. Teoriaa vastustettiin, koska silloisen käsityksen mukaan valkoinen valo oli kaikkien eriväristen säteiden pohja eikä niiden summa.
Newton katsoi partikkelifilosofiansa mukaisesti valon koostuvan hiukkasista. Toisaalta hän tutki paljon ilmiöitä, kuten valon interferenssiä, joita ei voitu selittää hiukkasten avulla. Alankomaalainen fyysikko Christiaan Huygens osoitti vuonna 1678 valon olevan aaltoliikettä. Newtonin ja Huygensin ajatukset olivat selvästi ristiriidassa, ja kilpailu teorioiden paremmuudesta kesti vielä 1850-luvun alkuun saakka. Newtonin teoriaa pidettiin heikompana kuin Huygensin, mutta Newtonin saavutukset mekaniikassa olivat niin vakuuttavia, ettei hänen optiikkaa käsitteleviä teorioitaan uskallettu kyseenalaistaa. Myöhemmin pystyttiin osoittamaan, että valolla on sekä hiukkas- että aaltoluonne.
Newtonin optiikan pääteos on vuonna 1704 julkaistu "Opticks", jota hän luonnosteli hyvin pitkään.
Newton julkaisi 5. heinäkuuta 1687 pääteoksensa "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". Teoksessa Newton käsittelee yleistä dynamiikkaa ja gravitaatioteoriaa sekä niiden sovellutuksia taivaankappaleisiin. "Principiassa" esitetyt kolme aksioomaa tunnetaan nykyään mekaniikan peruslakeina. Newton tunsi jo vuonna 1666 Keplerin lait ja päätteli, että Keplerin kolmannesta laista seuraa, että Aurinko vetää planeettoja puoleensa voimalla, jonka suuruus on kääntäen verrannollinen planeettojen etäisyyksien neliöön. Monien muiden tiedemiesten, muun muassa Giovanni Alfonso Borellin, Christopher Wrenin, Edmund Halleyn ja Robert Hooken, havainnot olivat sopusoinnussa tämän kanssa.
Newtonin ensimmäisen lain eli jatkuvuuden lain mukaan kappale, johon ei vaikuta ulkoinen voima tai vaikuttavien voimien summa on nolla, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella. Ajatus oli ajastaan poikkeava, sillä vallalla ollut ajatus oli, että liikkeeseen tarvitaan aina voimaa. Galilei tiesi jo ennen Newtonia, että voimaa tarvittiin ainoastaan liiketilan muuttamiseen, mutta Newton tarkensi tätä ensimmäisessä ja toisessa laissaan. Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki on totuttu näkemään skalaarisessa muodossa: "F=ma". Newton esitti lain kuitenkin sanallisesti, ja täsmällisesti se voidaan ilmoittaa moderneilla matemaattisilla merkinnöillä:formula_5.
Newton esitti siis kappaleeseen vaikuttavan voiman liikemäärän ja ajanmuutoksen avulla. Newtonin toinen laki sisältää myös ensimmäisen lain. Mikäli kappaleeseen vaikuttavien voimien summa on nolla, myös kiihtyvyys on nolla. Koska kiihtyvyys tarkoittaa nopeuden muutosta, nopeus ei muutu kiihtyvyyden ollessa nolla. Kolmannessa laissa Newton määrittelee, etteivät voimat ole koskaan yksin, vaan ne ilmenevät pareittain. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B tietyllä voimalla, kappale B vaikuttaa kappaleeseen A yhtä suurella mutta vastakkaismerkkisellä voimalla. Lakia kutsutaan usein voiman ja vastavoiman laiksi. Nykyään tätä kutsutaan vuorovaikutukseksi.
Itse asiassa koko painovoimateorian idea oli peräisin Hookelta. Hooke ja Newton olivat kirjeenvaihdossa, ja eräässä kirjeessä Hooke esittelee hypoteesin, jonka mukaan Aurinko vetää planeettoja puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Hooken mielestä tämä aiheutti planeettojen elliptisen radan. Newton mainitsee vastauksessaan, ettei ole koskaan kuullutkaan moisesta ajatuksesta. Pian hän kuitenkin alkoi työskennellä ongelman parissa, ja vähän ajan kuluttua hän pystyikin todistamaan, että elliptinen rata voi johtua Auringon vetovoimasta. Hän alkoi pitää Hookea kilpailijanaan muttei uskonut Hooken matemaattisten taitojen olevan kyllin hyvät, jotta hän pystyisi todistamaan hypoteesinsa. Newton ei halunnut kertoa löytämästään todistuksesta kenellekään, varsinkaan Hookelle.
Samoihin aikoihin brittiläinen astronomi Edmond Halley aloitti vanhojen komeettoja koskevien merkintöjen tutkimisen, ja vuonna 1682 hän havaitsi kirkkaan komeetan. Halley kokosi keräämänsä tiedot, ja kun Newton kuuli niistä, hän pyysi niistä kopioita. Muutama vuosi myöhemmin Hooke väitti Halleylle, että hänellä oli todisteita hypoteesinsa tueksi. (Nykyään uskotaan, ettei hänellä todella ollut niitä.) Halley piti tätä haasteena. Pian hän kuitenkin ymmärsi, että tarvitsisi Newtonin apua, ja alkoi vierailla säännöllisesti Newtonin luona. Vierailujen aikana Newton esitteli todistuksensa sekä muita tutkimuksia. Halley ymmärsi todistuksen olevan todellinen kultakaivos ja vaati Newtonia julkaisemaan tulokset. Newton oli haluton, mutta Halley ei antanut periksi, ja lopulta Newton julkaisi ajatuksensa "Principiassa". Ennen "Principia"-teosta Newton julkaisi pääteoksensa esiteoksen nimeltä "De motu", joka valmistui vuonna 1684.
Newtonin perusidea oli, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa ja taivaankappaleiden liike tapahtuu tämän voiman alaisena mekaniikan peruslakien mukaisesti. Newton myös ymmärsi, että Maassa tapahtuvat ilmiöt johtuvat samasta ilmiöstä kuin Kuun liike Maan ympärillä. Newtonilaiselle mekaniikalle on ominaista käsitys absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.
Newtonin luonnonfilosofiassa oli keskeistä, että kaikki havaitut ilmiöt olivat hiukkasissa eli atomeissa vaikuttavien voimien seurausta. Newton ei pystynyt selittämään näiden voimien perimmäistä olemusta silloisen descartesilaisen mekanistisen luonnonfilosofian avulla, vaan jätti tämän kysymyksen täysin avoimeksi. Näillä kysymyksillä on suora yhteys Newtonin teologisiin spekulaatioihin. Hänen mielestään gravitaatiolain ja mekaniikan lakien mukaisesti toimiva maailmankaikkeus olisi mahdoton, ellei sitä pitäisi yllä Jumala, joka voi tarpeen vaatiessa puuttua maailmankaikkeuden toimintaan.
Newtonin tieteellisten tutkimusten pohjana oli luonnontieteellinen menetelmä. Newton loi kokeelliseen tutkimukseen perustuvan induktiopäättelyn avulla kvantitatiivisen matemaattisen teorian, jonka avulla mittaustuloksista johdetaan yksinkertaisia perushypoteeseja sekä ennustetaan uusia ilmiöitä. Samaa periaatetta oli käyttänyt Galileo Galilei jo aiemmin tutkimuksissaan. Newtonin ohjenuora oli "Hypotheses non fingo", "en tee hypoteeseja". Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että hänen näkemyksensä perustuivat kokeellisiin tuloksiin ja vain niihin. Newtonin ja Galilein käyttämä menetelmä on myöhemmin muuttanut maailman niin maailmankatsomuksellisesti kuin materiaalisestikin.
Myöhemmin Royal Societyn puheenjohtajana hän kirjoitti, että luonnontieteiden perusperiaatteet ovat ”luonnon kehyksien ja toiminnan löytäminen, sen pelkistäminen yleisiksi säännöiksi ja laeiksi, näiden sääntöjen kokeellinen todentaminen ja siten syiden ja seurauksien johtaminen”. Luonnontieteellisestä menetelmästä tuli valistusajan keskeisimpiä periaatteita.
Newton aloitti alkemian tutkimuksen jo nuorena ja harrasti sitä noin 30 vuotta. Hän laati useita käsikirjoituksia mutta julkaisi vain yhden pienen tutkielman, "De natura acidorumin" (1704). Siinä hän selostaa, kuinka happohiukkaset ja rautahiukkaset vetävät puoleensa toisiaan ja aiheuttavat näin raudan liukenemisen happoon. Newton oli vankkumaton Robert Boylen kehittämän atomiopin kannattaja ja tulkitsi kemian sen mukaisesti. Alkemian harjoittaminen oli Newtonin elinaikana laitonta, ja Newtonin kuoltua hänen alkemiaa käsittelevät tutkimuksensa leimattiin tekstillä: ”Ei kelvollisia julkaistavaksi.” Osin tästä syystä Newtonin alkemian töistä vaiettiin hyvin pitkään ja ne haluttiin pitää salassa.
Lisäksi ajateltiin, että Newtonin akateeminen maine olisi turmeltunut, jos moinen puuhailu olisi paljastunut. Newtonin okkultistiset puuhastelut tosin ovat voineet olla olennaisia painovoimalain ja muiden Newtonin oivallusten kannalta. Newtonin ajan fysiikka nojasi ajatukseen maailmasta törmäilevien hiukkasten valtakuntana, kun taas kaukovaikutus oli tuntematon käsite. Okkultistisissa teoksissa oli mainintoja mystisistä vetovoimista kappaleiden välillä, pohdintoja äärimmäisen pienestä ja suuresta ja muutakin, mikä ehkä antoi aihetta pohdiskeluihin kirkon ja aristoteelisen järjestelmän ulkopuolisista käsitteistä.
Myöhempi tutkimus on osoittanut, että Newton oli perin pohjin kiinnostunut alkemiasta. Hän kopioi alkemistisia teoksia ja teki itse suunnattoman paljon muistiinpanoja ja kokeita. Newton uskoi itse asiassa, että hän pystyi saavuttamaan alkemian päämäärän eli valmistamaan mistä tahansa aineesta kultaa. Arvioiden mukaan Newton kirjoitti alkemiasta ja sen tutkimuksesta noin miljoona sanaa, mikä vastaa 4 000–5 000 konekirjoitettua paperiarkkia. Newton työsti myös kemiallista hakemistoa, "Index chemicusta", lähes kymmenen vuotta. Hakemiston tarkoituksena oli jäsentää Newtonin lukemaa alkemistista kirjallisuutta. Kun ensimmäinen hakemisto tuli suhteettoman laajaksi ja hankalaksi käyttää, hän aloitti uuden työstämisen. Lopulta hakemistossa oli yli sata sivua tiivistä kirjoitusta ja 5 000 viittausta lähes 150 teokseen. Newton luotti kirjoituksissaan Filalethekseen, Sędziwójiin, D'Espagnetiin ja Michael Maieriin.
Newtonin alkemian tutkimukset kestivät koko hänen parhaimpien miehuusvuosiensa ajan. Kun hänet nimitettiin vuonna 1669 Cambridgen yliopiston matematiikan professoriksi, hän matkusti ensimmäiseksi Lontooseen ja osti kemikaaleja, kaksi uunia, lasiastioita sekä alkemian perusteoksen, "Theatrum Chemicum Britannicumin". Sen jälkeen hän aloitti käytännön kokeet. Newton rakennutti asuntonsa sisäpihalle Trinity Collegeen laboratorion, jossa hän suoritti huolellisia kokeita lähes 20 vuoden ajan.
Newton luopui alkemian tutkimisesta 1690-luvun puolivälissä. Varmaa syytä tähän ei tiedetä, mutta lopettaminen saattoi johtua heikosta menestyksestä tutkimuksissa. Newton myös uskoi vuoden 1693 hermoromahduksen johtuneen kokeissa käyttämistään kemikaaleista, mikä voi uusien tutkimusten perusteella pitää paikkansa. Eräässä Newtonin hiuksesta otetussa näytteessä oli lähes 40-kertainen määrä elohopeaa tavalliseen verrattuna. Lontooseen muutto vuonna 1696 ja nimitys Englannin rahapajan johtajaksi sinetöivät Newtonin alkemian tutkimusten loppumisen, sillä hänen oli pakko työskennellä käytännöllisempien asioiden parissa.
Jerusalemin kansallis- ja yliopistokirjastossa sijaitsevasta, Newtonin itseään varten kirjoittamasta muistiinpanosta ilmenee, että Newton ennusti Jeesuksen toisen tulemisen koittavan vuonna 2060 tai pian sen jälkeen. Newton päätteli Danielin kirjan avulla, että 1 260 vuoden jälkeen Pyhän saksalais-roomalaisen keisarikunnan perustamisesta katolinen kirkko romahtaisi, ja pian sen jälkeen Jeesus palaisi maan päälle ja perustaisi tuhatvuotisen valtakunnan.
Vuonna 2003 eri maiden medioissa levisi juttuja, joissa kerrottiin Newtonin ennustaneen maailmanlopun koittavan vuonna 2060. Newton ei itse tuonut aikanaan ennustustaan julkisuuteen ja suhtautui epäillen ihmisten laskemien ennustusten julkaisemiseen, koska ihminen on erehtyväinen, ja jos ennustus ei pitäisikään paikkansa, Raamatun paikkansapitävyys saatettaisiin kyseenalaistaa. Newtonin laskelman tarkoitus oli valaa toivoa ja osoittaa, että Jeesuksen toiseen tulemiseen olisi aikaa vielä useita vuosisatoja eikä se koittaisi vielä hänen aikanaan.
Isaac Newtonin uskotaan keksineen painovoimalain vuoden 1666 kesällä, kun hän näki omenan putoavan puusta, joka kasvoi hänen synnyinpaikallaan. Tälle tarinalle on olemassa historiallista todistusaineistoa. Useat ensimmäiset Isaac Newtonin elämäkertojen kirjoittajat, kuten William Stukeley ja David Brewster, mainitsevat omenan vaikuttaneen Newtonin ajatuksiin painovoimasta. Tarinasta on olemassa eri versioita, jotka eroavat vain hieman toisistaan. Newton kertoi tarinan vasta myöhempinä elinvuosinaan neljälle läheiselle ystävälleen Catherine Bartonille, Martin Folkesille, John Conduittille ja William Stukeleylle. Vaikka tapahtumasta oli kulunut jo pitkän aikaa, ei ole syytä epäillä, etteikö Newton olisi muistanut sitä riittävän tarkasti. On kuitenkin ihmetelty, miksei hän kertonut asiasta aiemmin.
Tarina kerrotaan ensimmäisen kerran Voltairen vuonna 1727 julkaistussa esseessä "Essay on the Civil War in France". Voltaire mainitsee Newtonin saaneen inspiraation, kun hän käveli puutarhassaan ja näki putoavan omenan. Voltaire oli saanut tietonsa Newtonin sisarpuolen (tai velipuolen) tyttäreltä Catherine Bartonilta. Bartonilla oli läheiset suhteet Newtoniin, ja lisäksi hänen aviomiehensä John Conduitt oli Royal Societyn jäsen ja Newtonin ystävä. Voltairen tarinan paikkansapitävyydestä ei voida kuitenkaan koskaan päästä täyteen varmuuteen. Tarina kerrotaan joskus myös niin, että omena putoaa Newtonin päähän. Tämä versio on englantilaisen kirjailijan Isaac D'Israelin keksimä.
David Brewsterin mukaan puu, josta omenan arvellaan pudonneen, oli hajonnut pahoin 1800-luvulle tultaessa. Noin vuonna 1820 puu kaatui myrskyssä, vaikka sitä oli yritetty aiemmin kunnostaa. Puun osia otettiin talteen, ja nykyään niitä säilytetään hyvin varoen. Edward Turnor, kartanon omistaja, dokumentoi omenapuun hyvin tarkasti. Hänen mukaansa omenapuussa kasvoi hieman päärynän muotoisia omenia ja niiden maku oli hyvin omalaatuinen.