Уже в раннем детстве у Ньютона проявилась склонность к конструированию, изобретательству, экспериментированию и рисованию. Сохранились рассказы о том, что мальчик любил строить механические игрушки, самокаты, модели водяных мельниц, солнечные и водяные часы, а для участниц детских игр делать маленькие столики, шкафчики и другие поделки. Любил заниматься воздушными змеями и запускал их иногда ночью с бумажными цветными фонариками, распространяя в шутку слух о новой комете.
По словам Ньютона, первый физический опыт был произведен им в 1658 г.: желая определить силу ветра во время бури, измерил дальность своего прыжка по направлению и против ветра. «…Раннее мастерское владение сэром Исааком Ньютоном механическими приспособлениями и его мастерство в рисовании и проектировании, — писал доктор Стэкли в своем труде о Ньютоне (1752), — сослужили ему хорошую службу в его экспериментальном пути в философии [в естественных науках] и подготовили прочный фундамент для развития его пытливого ума…»
5 июня 1661 г. Исаак Ньютон был принят в Тринити-колледж (коллегия Троицы) Кембриджского университета в качестве субсайзера (так назывались бедные студенты, выполнявшие для заработка обязанности слуг в колледже). Характерной особенностью для английских университетов, и в частности для наиболее знаменитого из них — Кембриджского, было предоставление широкой инициативы самому студенту, а также неразделимое смешение учебных и ученых функций. С кафедр студентам передавалось наследие старой науки, но с тех же кафедр это старое порой беспощадно разрушалось и создавалась новая наука, а ученик превращался в оппонента и сам начинал учить.
Согласно запискам Ньютона, первые годы учебы протекали обычно: в течение двух лет он изучал арифметику, геометрию по Евклиду, тригонометрию, богословские науки и древние языки (латинский, в меньшей степени греческий и еврейский), к этому же времени относится его знакомство с системой Коперника и оптикой.
Учителем, оказавшим большое влияние на Ньютона, был Исаак Барроу (1630–1677) — молодой профессор лукасовской кафедры.
Превосходные знания древних языков и математики позволили Барроу сделать блестящие переводы античных геометров — Архимеда, Евклида, Аполлония. Но главные заслуги Барроу относятся к области математики: разработанный им новый метод нахождения касательных к кривым стал важным этапом в развитии исчисления бесконечно малых. Ранняя смерть Барроу огорчила многих ученых, знавших его. Ньютон в старости говорил, что наибольшую боль смерть учителя и коллеги причинила, конечно, ему.
По окончании университета в 1665 г. Ньютон получает ученую степень бакалавра, и очень скоро, в 1668 г., он становится «мастером искусств» (магистром). Через год Барроу передает ему почетную лукасовскую кафедру, и Ньютон в возрасте 27 лет становится профессором Кембриджского университета. Эту должность он занимал до 1701 г.
В 1665–1667 гг. Ньютон во время страшной эпидемии чумы находился в своей родной деревне Вулсторп. Эти годы были наиболее продуктивными в научном творчестве ученого. В деревенской тиши, вдали от многолюдного колледжа он с головой погрузился в осуществление своих многочисленных идей и проектов. За эти «чумные» годы Ньютон создает анализ бесконечно малых — метод флюксий, как он его называл, или, по принятой теперь терминологии Лейбница, дифференциальное и интегральное исчисление. Метод был изложен им в пяти коротких мемуарах, написанных между маем 1665 г. и ноябрем 1666 г. В это же время в полной мере проявился и экспериментальный талант Ньютона. В вулсторпском доме он создает на свои средства первоклассную оптическую лабораторию, оснастив ее большим количеством оптических приборов, линз, телескопов, микроскопов. Ньютон сам был искусным мастером по шлифовке и полировке стекла, металла и конструированию приборов. В Вулсторпе он провел свои знаменитые опыты над разложением и сложением света и начал сооружение изобретенного им отражательного (зеркального) телескопа. По словам Ньютона, к этому времени относятся его первые мысли о тяготении.
Многим кажется непостижимым тот факт, что основные идеи и результаты в математике, механике и физике получены Ньютоном за два года (1665–1666), которые он провел в Вулсторпе. По собственному признанию Ньютона, в эти годы он «был на высшей точке своей изобретательности и размышлял о математике и философии (физике) больше, чем когда-либо позже». Но в этом нет ничего удивительного: ведь гений продолжает и завершает ту творческую работу, над которой он с полной отдачей трудился в предыдущем рождении. Университетская жизнь Ньютона началась в те годы, когда ученый мир Европы все еще находился под впечатлением астрономических открытий, сделанных Галилеем в 1609–1610 гг. при помощи созданного им телескопа. До Галилея наука в основном описывала явления и делала попытки их объяснить. Галилей впервые показал, что наука способна открывать новые, совершенно неожиданные тайны природы. Он сделал это при помощи телескопа с выпуклой и вогнутой линзами. Однако попытки Галилея и его учеников улучшить возможности телескопа путем совершенствования стеклянных объективов к существенным результатам не привели. В 1664 г. Ньютон-студент приступает к работе по улучшению телескопа. Он, по его словам, занялся собственноручным изготовлением несферических стекол, поскольку шаровые линзы из-за сферической аберрации и радужного окаймления не давали качественного изображения. Вскоре Ньютон прекратил эту трудную работу. Он приходит к выводу, что «стекла, коим дали бы фигуры наилучшие, какие для этой цели можно придумать, не будут действовать и вдвое лучше сферических зеркал, полированных с той же точностью» («Лекции по оптике», 1669). Этот вывод определил два направления деятельности Ньютона в этой области: одно — исследование причин хроматической аберрации, другое — работа над телескопом с отражающим сферическим зеркалом. Несомненно, что мысль о возможности построения такого телескопа возникла у Ньютона вполне самостоятельно. Как видно из переписки Галилея, отражательные телескопы неоднократно обсуждались им с учениками и друзьями, но попытки создать такой прибор к положительным результатам не привели. Только в 1668 г., благодаря упорному труду и многочисленным опытам по изготовлению сплавов и полировке металлических поверхностей, Ньютону удалось построить первый телескоп-рефлектор длиной всего 15 см.
К 1671 г. Ньютон построил второй телескоп, больших размеров и лучшего качества. В письме к секретарю Королевского общества Ольденбургу Ньютон писал следующие слова, живо воскрешающие перед нами образ Ньютона-химика и металлурга: «Сначала я расплавил одну медь, затем положил туда мышьяк и, сплавив несколько, размешал все вместе, остерегаясь вдыхать ядовитый дым. Затем добавил олова и снова, после очень быстрого расплавления его, все перемешал. После этого сразу все вылил».
Впоследствии Ньютон подробно описал разработанный им способ полировки металла для зеркал в своей «Оптике». Осенью 1671 г. Ньютон послал свой телескоп на усмотрение короля и членов недавно утвержденного Королевского общества. Инструмент получил высокую оценку, и 11 января 1671 г. Исаак Ньютон был избран членом Общества. Следует отметить, что Королевское общество в Лондоне — это одно из самых известных научных обществ в мире, продолжающее интенсивную работу и в наши дни.
Членами Общества тогда были такие блестящие ученые, как: Барроу, Бойль, Грегори, астроном Гевелиус, Гук, Гюйгенс, философ Локк, математик Уоллис, архитектор Рен и др. Общество послужило образцом для большинства научных академий, учреждение которых стало в конце XVII и XVIII вв. «хорошим тоном» в Европе. Основанная в 1724 г. Санкт-Петербургская Императорская Академия наук явилась своего рода отзвуком на возникновение Королевского общества. С 30 ноября 1703 г. и до конца своей жизни Ньютон был президентом этого Общества.
Телескоп Ньютона быстро стал предметом национальной гордости англичан. Много усилий было затрачено на его усовершенствование Гадлеем при жизни автора; да и сам Ньютон еще лет десять продолжал работать над инструментом. Успех Ньютона не был временным или случайным — его инструмент предопределил на несколько веков одно из главных направлений в развитии инструментальной астрономии. Для всех задач астрономии, при решении которых нужны телескопы с большими отверстиями, рефлектор остается единственным прибором и в настоящее время. Самый большой в мире рефлектор имеет диаметр главного зеркала 6 м.
Воодушевленный успехом телескопа, Ньютон уже через неделю представил Королевскому обществу мемуар «Новая теория света и цветов», в котором изложил свои исследования по дисперсии света. Оппонентом его теории выступил Роберт Гук, который вовлек Ньютона в длительную дискуссию. Гук занимался волновой оптикой, в том числе и вопросом возникновения цветов, но, как это с ним часто случалось, не довел дело до конца. Гук ревностно относился к вопросам приоритета и оспаривал его не только у Ньютона, но также у Гюйгенса и других. Почти каждый талантливый ученый-современник становился врагом Гука, потому что деятельность Гука в науке была настолько разносторонней, что постоянно приходилось затрагивать вопросы, которые так или иначе им изучались. По жизни, характеру, складу ума Гук был настоящим антиподом Ньютону — с его выдержкой, настойчивостью, способностью доводить работу до конца, с математически точным умом и щепетильной аккуратностью в эксперименте. Длительная полемика в течение четырех лет отнимала у Ньютона силы и время. В 1673 г. он пишет секретарю Королевского общества Ольденбургу, что не желает больше заниматься естественными науками и отказывается отвечать на критические статьи и письма. 18 ноября 1676 г. он снова пишет Ольденбургу: «…Я вижу, что сделался рабом философии. Когда я освобожусь от дела мистера Лукаса, я решительно и навсегда распрощусь с философией, за исключением работы для себя и того, что я оставлю для опубликования после смерти; я убедился, что либо не следует сообщать ничего, либо придется тратить все силы на защиту своего открытия».
