第二章近代自然科学的诞生和发展 3.docx
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第二章近代自然科学的诞生和发展3
第二章：
近代自然科学的诞生和发展
第一节近代科学革命
1．1天文学革命
一．哥白尼的日心地动说
哥白尼（NicolausCopernicus，1473—1543）是波兰数学家兼天文学家，于1543午发表了《天体运行论》一书，全面地阐述了他的日心地动说。
其要点是：
太阳是宇宙的中心，所有行星在以太阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并与其他行星一样绕太阳公转。
根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳的东升西落不是太阳绕地球旋转，而是地球自转的表现；天球上恒星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太阳公转的结果。
以现代的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心和地静说的错误，当哥白尼的学说为世人所接受之后，它就不可避免地动摇了教会的权威，从而解放了人们的思想。
当代著名的科学史与科学哲学家库恩（T.S.Kuhn,1922-1996）称哥白尼日心体系的诞生为“西方人知识发展的划时代的转折点”，因为它不仅是天文学基本概念的变革，而且是人对自然的理解的根本变革，甚至是西方人价值观念变更的一部分。
但也有些人断言，哥白尼革命只不过是提出了地球每日绕自身轴旋转一周，每年绕太阳公转一周，甚至有些科学史家根本否认存在一场“哥白尼革命”。
我们认为，尽管哥白尼体系有很多旧理论的痕迹和不完善之处，甚至在得到观测证实的精确程度上一度比托勒密理论还逊色些，但是它用日心、地动说代替统治天文学界多年的地心、地静说，是在重大理论问题上用正确认识取代了谬误的认识。
哥白尼理论的意义至少有两方面：
其一，它引起了整个宇宙观、世界观的巨大变革。
长期以来，教会利用地心说来说明上帝创造世界，说明上帝创造一切都是为了地球上的人类，所以有意把地球摆在字宙的中心。
而现在，在宗教教义中被说成是宇宙中心的地球已沦为一个普通行星，于是，上帝这个不可动摇的偶像也就随之而倒台了。
日心说动摇了宗教的自然观支柱，也就是动摇了宗教世界观的基础。
从社会文化心理层面讲，日心说对地心说的背叛也是对近千年形成的精神生活方式和浓厚宗教情结的挑战。
其二，哥白尼日心理论引起了人类认识史上的变革。
因为哥白尼的著作宣布不服从权威和教条，不把宗教所尊奉的托勒密学说视为神圣的；同时，宣布了自然科学就是要按自然界的本来面目来认识自然，也就是说，凡是不符合自然界本来面目的东西，都要加以批判和修正。
正因为如此，恩格斯称哥白尼的《天体运行论》是自然科学从宗教下面解放出来的“独立宣言”。
正是在它的带动和影响下，整个自然科学各个领域都纷纷与宗教教义相决裂，并大踏步地前进着。
可以说，这部著作是近代自然科学思想革命的起点。
在一定意义上可以说，哥白尼日心理论在哲学世界观方面的价值大于其在科学上的价值，对于思想解放的意义大于其方法论的意义。
也正是因为如此，这本书一发表就被列为禁书，教会对它极端仇视和恐惧，直到200多年后的1758年才被开禁。
二．布鲁诺和伽利略捍卫和发展日心说
哥白尼学说经过近两个世纪才被牢固地树立起来。
尽管哥白尼学说一开始就遭到天主教、路德教和加尔文教的反对，甚至弗兰西斯·培根也不接受这一理论，但这一学说还是被广泛地传播到整个欧洲。
其中，布鲁诺和伽利略在哥白尼之后对日心说的捍卫和发展作出很大的贡献。
虽然作为天文学史可以不涉及，但作为近代宇宙观史，决不能忘记为哥白尼理论的传播而献出生命的意大利哲学家布鲁诺（GiordanoBruno，1548—1600）的名字。
布鲁诺年轻时就读过《天体运行论》，并成为哥白尼学说的传播者。
但他比他的先师更进一步，即抛弃了恒星固定在以太阳为中心的最高天球的信念。
他在1584年出版的《论无限、宇宙和世界》中阐述了他的字宙无限、世界无限的观念，并做了哲学上的论证。
他指出，宇宙是无边际的，因而没有中心；太阳是太阳系的中心而不是宇宙的中心，宇宙中存在着无数个太阳系一样的天体，恒星就是散布在无限空间中的一个个太阳。
他关于类似太阳系这样的世界有无数多个的思想，先于牛顿关于天上、地上都遵守同一运动规律的发现。
意大利科学家伽利略（GalileoGalilei，1564～1642）对近代天文学革命的贡献就在于他借助望远镜和力学（主要是动力学）思想证实和捍卫了哥白尼日心体系。
伽利略根据他对光的折射的知识制作了可将物体直径放大30倍的望远镜，于1610年在《星际使者》中公布了由此得到的若干重大发现。
其一，他发现木星有四个较小的“行星”（后来被开普勒称为“卫星”）围绕它旋转，这就好像一个缩小了的太阳系模型，这四个卫星各有其可量度的周期。
这就用科学事实推翻了地球之外只有7个天体（恒星除外）的传统观念，并且向世人表明，地球不可能是宇宙中所有天体绕之旋转的中心。
其二，他还发现月球表面并不是乎坦、均匀的圆球形，而是凹凸不平和粗糙的，有的山脉高达4英里。
这个发现加上他后来观测到的太阳黑子（记叙于1613年发表的《关于太阳黑子的书信》一书中）存在的事实（其面积大于地球亚非两洲面积之和），打破了中柏拉图、亚里士多德以来关于天上事物是完美无瑕的神话，驳斥了“月上世界”与“月下世界”属于截然不同的两个世界和“天贵地贱”的神秘主义的观点。
其三，银河在以往用肉眼看上去好像是延绵不绝的一片光区，而从望远镜中他分辨出这不过是数以万计单独恒星（其中包括用肉眼连细微的光线都看不见的成千上万个恒星）分布较为集中的结果。
这个发现使人们不禁要怀疑：
如果上帝为人类利益而创造了宇宙，那为什么把如此之多不可见的东西放在天上?
尽管伽利略在理论上没有给哥白尼的宇宙体系增加什么内容，但上述发现以其为日心体系提供的强有力的证据而沉重地打击了经院哲学和传统教条。
当时惟一公开支持伽利略的科学家只有开普勒，他在《同星际使者的对话》一书中指出，这些新发现同他本人的理论是一致的。
但教会却把日心说视为洪水猛兽。
1616年教会把哥白尼著作列为禁书，并警告伽利略，让他放弃地动说。
伽利略经过长期准备和精心构思，在16年之后的1632年发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，在这部著作中最重大的贡献在于他成功地分析了反对日心说的两个主要理由即没有恒星视差和地上物体垂直坠落的问题，从而使哥白尼日心体系得到进一步论证。
1．2医学革命
近代初期，在医学领域中，希波克拉底的“四体液”之类空想仍占重要地位，因此治疗人的疾病，通常还是试图重新调整人体中体液的比例，而不大注意对疾病的专门化研究。
然而到了16、17世纪，在用经验主义代替思辨的科学变革的影响下，比较明智的医生开始密切注意各种疾病的差异及其不同要求，在文献中出现了对不同疾病的仔细观察和详尽描述的记载。
在近代科学诞生之前，在医学生理学中居统治地位的是罗马名医盖伦的生理学说。
他的生命元气等学说尽管距真理很远，却由于基督教的思想统治使他的学说在整个中世纪欧洲，人的眼中比他的自由探讨精神更为重要，从而堵塞了生理学探索的道路。
第一个敢于起来批判盖伦学说的是比利时医生、近代解剖学奠基人安法勒斯·维萨里（A．Vesalius，1514—1564）。
他于1543年发表了《人体的构造》一书，他以多年从事人体解剖之所见，揭露了古代权威盖伦等人的某些结论缺乏根据。
接着就是西班牙医生塞尔维特（MichaelServetus，1511～1553）于1553年发现了人体血液的小循环，他指出静脉血是通过肺部为空气“净化”之后变为动脉血的。
其后，英国医生哈维（WilliamHarvey,1578～1657）在1628年发表的著作中系统地阐述了他所发现的人体血液运动的大循环。
他指出：
血液在人体中是沿着心脏→动脉→静脉→心脏这样的路线循环流动的；在动脉和静脉之间必定还有人们看不见的细微通道相连；流回心脏的静脉血经过小循环（即在肺部经过空气的作用）变为动脉血，接着由心脏流出；心脏是血液循环的出发点，又是血液循环的归宿，心脏的脉动是血液循环的动力。
动脉血和静脉血是分别流经心脏的左、右两部分房、室，这两部分并不直接沟通。
哈维的学说彻底推翻了盖伦的观点，同时给了教会的神学说教以沉重打击。
哈维的学说有大量事实为据，虽然还有不完善之处，但终究为科学的生理学奠定了基础。
1．3科学方法革命
一．伽利略开创实验方法
伽利略发明了光学望远镜，用大量天文观测事实论证哥白尼日心地动说。
1609年，伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了一系列前所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表面的山岳和湖海，太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。
这些发现证明了天界并非有如亚里士多德所说的那样圣洁无瑕，宇宙中也并非只有一个中心。
伽利略开创了实验力学，标志着科学实验方法的诞生。
伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。
通过实验，伽利略发现了自由落体定律：
物体从静止开始的自由下落是一种匀加速运动，物体下落的速度与其经历的时间成正比，下落的距离与其经历的时间的平方成正比。
根据这个定律，在忽略空气阻力的情况下，从同一高度自由下落的轻重不同的物体应该同时到达地面，因为物体下落的速度与它们的质量无关。
伽利略还从逻辑上论证了重物先到达地面的不合理性。
从而彻底地批判了亚里士多德的错误观点。
在研究落体运动的基础上，进一步的实验使伽利略想到：
沿斜面滚落的小球，如果再沿一无限光滑的平面继续滚动的话，这时既没有使小球加速的因素，也没有使小球减速的因素．它必将在这个平面上保持原有的速度匀速前进，永不停止，这就是惯性运动。
惯性运动指出运动的物体具有维持原有运动状态的特性，这就是说，亚里士多德认为必须有外力才能维持物体运动的观点也是站不住脚的。
伽利略通过观察匀速前进的船舱内舱顶水滴下落和舱内苍蝇飞行的状况，发现它们都没有因船只的航行受到干扰，它们的运动状况与静止的船舱毫无二致。
据此他提出了运动的相对性原理：
在匀速运动系统内的力学现象与静止系统内的力学现象并无区别。
这个原理告诉我们，不能根据地面上的力学运动来判断地球是处在静止状态还是在作惯性运动（假若我们把地球近似地看作一个惯性系统的话）。
二．经验论与唯理论
英国弗兰西斯·培根的《新工具论》倡导归纳法，成为近代科学的主要方法。
弗·培根在他的经验主义认识论的基础上，首创了科学中的排除——归纳法。
弗·培根在《新工具论》中多处批评了自亚里士多德以来，仅仅根据少数观察、用简单枚举法匆忙地从感觉和特殊中抽象出最普遍公理的传统作法；认为这种抽象由于“没有采取对自然作排除和分解或分离的方法”，其所得出的概括必定“是不确定的和含混的”。
为此，应当用科学归纳法取而代之。
他提出的排除——归纳法的基本思路是：
1．通过实验观察获得有关某类现象的一切事实知识，其中包括对该类现象的肯定事例、否定事例和该类现象所具物理性质的程度不同的表现；
2．然后将全部事例编制成肯定事例表、否定事例表和程度表（即比较表）；
3．借助逐步归纳和排除法，从事例中抽象出最低层次的公理（假说）；
4．应用同样方法从低层次的公理（假说）中构造出较高层次的公理（假说），直至最终达到普遍性程度最高的公理（即“形式”）。
其中最重要的方法是逐步归纳法和排除法。
而归纳法与排除法乃是同一过程的两个相反相成的方面。
弗·培根把事实之间以及低层次公理之间的相关，区分为偶然相关和必然相关（即本质相关）；不论是由系统的实验观察材料概括出普遍性有限的真理，还是从普遍性程度低的真理上升到内涵更丰富、概括性更强的真理，都要通过比较鉴别，以发现并排除偶然的非本质的相关，从而抽取出必然的本质的相关，作为进一步归纳概括的合适题材。
只有如此才能牢固地建立起科学理论的“金字塔”。
有人认为弗·培根“否定抽象概念”，其实，培根仅仅反对借简单枚举法，根据少数观察贸然作出不恰当的“抽象”，他并不反对、而且竭力主张以系统观察为基础、以排除和舍弃偶然相关（即非本质相关）为关键程序的科学抽象。
科学抽象原则是弗·培根科学归纳法的灵魂。
近代科学尽管在很大程度上得益于实验观察和归纳方法，但要建立逻辑上完备而自恰的科学理论体系，单靠经验方法是无能为力的。
笛卡尔最早看到了这个问题，在科学方法论上提出了以“普遍怀疑”为前奏、以直观——演绎法为核心、以事实验证为补充的科学发现与科学说明的逻辑模式。
在笛卡尔看来，要使科学取代统治人们思想达几个世纪的经院哲学，就必须把科学知识大厦及其每一组成部分都建立在“理性”的基础之上，为此就要“尽可能地把所有事物都来怀疑一次”。
这一语道破了新哲学与传统哲学的本质区别。
笛卡尔认为，感觉有可能会欺骗我们，理性也往往会判断错误，故而一切凭感官得到的知识、一切先人之见与偏见、一切传统教条和信念，都应毫无例外地通通放到理性的法庭上加以审判。
在笛卡尔那里，怀疑本身不是目的，而是手段；怀疑不是消极的、虚无主义的，而是积极的、富于建设性的。
因此他的怀疑论是一种方法论的怀疑论，是构筑科学知识大厦的否定性准备。
它不仅是每一个别的科学认识发生的前奏，更是科学作为系统整体而发生的初始环节。
这种怀疑论是新兴资产阶级社会理想和价值观念在认识论领域的反映，是近代史上推动人类理性解放的一面旗帜。
笛卡尔认为，科学的最高成就是一种命题金字塔，其建构顺序是由上而下即由一般到个别。
那么处于金字塔顶端的作为科学理论体系大前提的最一般原理（即公理）从何而来?
笛卡尔的“天赋观念”论是对这个问题的唯心主义的、但又是当时相对成功的一种解决。
笛卡尔认为，来自外界的关于事物的感觉观念是不可靠的，而由人的心灵自由虚构和臆想的观念是个别的和偶然的，只有来自理性本身的“天赋观念”才是一切普遍性、必然性知识的惟一可靠的来源。
这种观念作为真理性认识的标准在于其无可怀疑的确定性和自明性；由于它既不依赖于感觉经验，也不依人的自由意志为转移而具有客观实在性，因此，以这种观念作为最普遍原理，可以成功地解释一切自然现象。
在笛卡尔科学方法论中，最核心的乃是作为其知识哲学中心内容的直观——演绎法。
所谓直观“既不是指感觉的易变表象，也不是虚假组合的想像所产生的错误判断”，而是靠人的认识普遍性、必然性知识的天赋能力而获得对于基本的、清楚明白的、不证自明的真理的直接了解。
所谓“演绎”，是指运用数学中的推理方法从直观得到的第一原理出发所进行的全部带必然性的推理。
它相对于“直观”来说，是认识自然的“补充方法”。
笛卡尔认为，传统的三段论只能说明已知的真理，而对于那些要发现真理的人来说则毫无价值。
作为演绎推理大前提的第一原理是运用理性直观的力量而发现的，第一原理的创造性保证了由它所推演出的知识的新颖性。
因此直观——演绎法不单是说明的逻辑，而主要是一种发现的逻辑。
这是它同亚里士多德三段论的本质区别。
笛卡尔接受了亚里士多德关于科学是演绎陈述系统的思想，并试图用他的直观——演绎法构造一个庞大而包罗万象的人类知识金字塔。
但是，并未成功。
因为仅仅根据一般定律的考虑，人们不可能确定物理过程的进程。
于是，他为了克服直观——演绎法的局限和困难，不得不给实验观察和归纳方法以一席之地，运用这些方法对定律和推论进行事后的验证或经验批准。
但这些仅仅是科学研究中的辅助性的补充手段。
第二节经典力学体系的建立
2.1近代力学知识的积累
一．伽利略的力学贡献
近代力学产生之前，亚里士多德关于运动学的自然哲学理论占据统治地位达1900年之久。
而亚里士多德的运动学大多属于哲学猜测与常识的混合物．特别是由于中世纪后期托马斯·阿奎那等人把他的著作奉为经典，而使他的错误的运动学理论成为严重束缚力学发展的桎梏。
伽利略是在力学上第—个向亚里士多德提出挑战的科学革命家。
首先，伽利略驳斥了亚里士多德的落体理论。
亚里士多德认为物体运动的快慢与运动物体自身的重量有关，并把这个思想用于落体运动。
他指出，体积相等而重量不同的两个物体认同—高度自由落下时其速度比等于这些物体的重量比；比如，两物体重量比为1：
10，则其下落速度比也是1：
10。
伽利略运用思想实验和归谬法反驳了这些错误理论。
他指出，若两个重量、大小不同的物体捆在一起，其下落速度有两种相反的可能：
（1）由于两物体总重量均大于其中任何一物重量，故捆在一起时下落速度比两物体中较重的物体单独下落时速度要快；
（2）由于两物体一轻一重，捆在—起时较轻者牵制较重者的下落速度，因此联合体下落速度大于较轻者而小于较重者。
通过分析相同比重物体在同一介质（如空气）中下落的种种情况和介质密度对物体下落的影响，以及经过“冲淡重力”斜面实验，伽利略最终得出三个结论：
第一比重相同而重量不同的物体在空气中以同样的速度运动（下落）；第二．在完全没有阻力的介质（即真空）中所有物体以同样速度作自由落体运动；第三，物体均以匀加速运动自由下落，而下落距离与时间的平方成比例地增加。
据传伽利略作过比萨斜塔实验，但没有原始记录作证据。
但在1586年以前，斯台文（SimonStevin，1548—1620）确实做过反驳亚里士多德观点的落体实验：
从30英尺的高处，同时让两只铅球自由下落，其中一只是另-一只重量的10倍，而到达地面上发出的清晰响声好像是一个声音。
伽利略在《关于两种新科学的对话》（Thedialoguesconcerningtwonewsciences）中不仅反驳了亚里士多德的运动观念，而且讨论了匀速运动、加速运动、单摆和抛射体运动的规律。
关于匀速运动，他给出了以下定义：
“我们称运动是匀速的，是指在任何相等的时间间隔内通过相等的距离。
”关于匀加速运动，则是指“运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。
在这两个概念的基础上，再引入“合成速度”的概念，就可以容易地解释抛物体的运动。
伽利略将抛物体运动分解为水平方向的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，从而证明了意大利数学家塔尔塔利亚（NiccoloTartaglia，1499～1557）早期的发现：
抛物体仰角为45。
时可有最大射程。
他第一个成功地证明了炮弹的运动轨迹是一条抛物线。
伽利略在单摆实验和小球在相对的两斜面上滚下与滚上运动的实验中发现类似机械能守恒定律的思想，由此得出惯性的概念，从而否定了亚里士多德“力是运动原因”的错误，建立了“力是改变运动的原因”的思想。
这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义—起，为牛顿的运动第一和第二定律的最终表述奠定了基础。
伽利略通过对单摆的研究发现：
单摆的摆动周期与振幅无关。
传说这是1582—1583年他在比萨大学学习时，在比萨教堂观察吊灯时发现的。
但据考证，比萨教堂的吊灯是1587年制造的，此时伽利略早已离开了比萨。
但在1602年信件中他的确提到了单摆实验，而在《关于两种新科学的对话》中他详细地描述了这些实验及其结果，证明单摆周期不依赖于摆的重量和材料，而和摆的长度的平方根成比例。
不过，单摆周期严格的表达式
是惠更斯首先提出的，其中T表示单摆周期，L表示单摆的摆长，g表示重力加速度，据说伽利略于1638年也得到了这一结果。
由于伽利略想要发现的不是物体为什么运动（降落），而是怎样运动（降落），并通过实验揭示厂其中的数学关系，这就使得从他开始，时间与空间在物理科学中具有了根本性的意义。
不过，由于他认为惯性定律只有在水平面上才成立，因此他的力学停留在重力影响占绝对优势的地面力学上，而未能扩展到天体力学，只有笛卡儿和牛顿才把惯性定律作为普通的力学基本原理来把握。
二．开普勒三定律的发现
1609～1619间，德国天文学家开普勒（JohannesKepler，1571～1630）利用他的老师、丹麦天文学家第谷·布拉赫（TychoBrahe，1546～1601）遗赠的大量准确的观测数据研究行星运动的规律，先后发现了行星运动的三条定律，科学史上习称为开普勒三定律。
开普勒第一定律亦称行星轨道定律。
这一定律指出，行星运行的轨道不是正圆形而是椭圆形，它们围绕各自椭圆轨道的一个焦点运行（椭圆有两个焦点），而这些焦点又都重合在一起，那就是太阳之所在。
开普勒第二定律又称行星运动面积定律，它指出在相等时间内行星与太阳联线所扫过的面积相等。
开普勒第三定律即行星运动周期定律，它指出任何两颗行星公转周期的平方与它们轨道长半径的立方成正比。
开普勒的工作以准确的观测数据为依据，他的结论无可争议。
在西方流行了两千年的行星必定沿圆形轨道匀速运行的传统观念终于被打破了。
开普勒因此被誉为“天空的立法者”。
行星三定律的发现是天文学上又一重大突破。
同时，它更进一步把天体运动的物理机制问题摆在人们面前：
行星的运动轨道为什么是椭圆形?
维持这些运动的力是什么?
如此等等。
开普勒的同辈人中曾有人猜测，太阳和行星可能是由于磁力作用而联系在一起的。
在他们的启发下，开普勒提出了天体磁性引力假说。
他考虑，既然地球是一块大磁石，太阳以及其他行星很可能也是大磁石，是太阳和行星之间的磁力作用使它们联系起来并且使行星围绕太阳沿椭圆形轨道运行。
开普勒的假说虽然并不正确，但他揭开了天体力学研究的序幕。
三．惠更斯、胡克等人的贡献
同一个科学问题往往会由来自不同侧面的研究而得到解决，这种现象在科学史上很是常见。
天体力学的问题得到了有关地面上的物体运动的研究成果的启发，这就是惠更斯和胡克等人的工作。
惠更斯（ChristianHuygens，1629～1695）是荷兰科学家，他对物体围绕一个中心旋转的问题进行了研究，于1673年确认：
一个围绕中心作匀速圆周运动的物体之所以不会沿切线方向飞去，是因为有一个向心力作用于该物体。
这个向心力的大小与该物体的运动速率的平方成正比而与圆周的半径成反比，即向心力
（这里m是物体的质量，v是物体的旋转速率，r是圆周的半径）。
这就使人们认识到，必定是太阳给了行星一个引力，这个引力作用于行星，使行星围绕太阳旋转。
英国科学家胡克（RobertHooke,1635～1703）就是这样想的。
1674年他在一次演讲中说到，在太阳吸引行星的同时，行星也同样吸引着太阳，从而提出了物体之间有相互的吸引力的想法，他说这种引力与磁性无关。
1680年他更提出了这种引力的大小与距离的平方成反比的猜测。
但是，引力与距离平方成反比的猜测是否能与行星依椭圆形轨道绕太阳旋转的事实相一致？
这个问题一时难住了许多人。
2.2牛顿力学体系的建立
一．近代最伟大的科学家——牛顿
伊萨克·牛顿（IsaacNewton，1642一1727）诞生在一个农民家庭，幼年身体很弱。
他12岁进入文科中学读书时就显示出制造机械工具及其模型的天才。
中学毕业后，在舅父推荐下他进入剑桥大学三一学院深造。
在念文学士学位过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光学的名著以及天文学和力学等方面的最新成果，并于1665～1666年在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间发明了二项式定理的流数法，实现了对光的分解，并向万有引力定律的建立迈出了头几步。
鉴于他的数学天才，他的老师巴罗于39岁就毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授的职位而让牛顿接替。
不久他制造了反射式望远镜。
这促使天文学家瓦尔德于1671年提议选牛顿为皇家学会会员，并当即被通过人选。
但牛顿的光微粒说却受到主张波动说的胡克的批评，由此引发了科学史上著名的波动说与微粒说之争。
在此期间，他还发展了流数法，同时花费巨大精力研究引力问题，并于1684年将证明引力平方反比定律的手稿交给哈雷。
在哈雷和皇家学会的推动下，他从此进入了对理论力学进行紧张研究的时期，并以1687年7月他的《自然哲学的数学原理》一书的出版而达到高潮。
此后，牛顿还做过一些化学实验，可惜他的化学手稿于1692年的一次大火中与他的光学手稿一起被全部焚毁。
加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，以及胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发现权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经哀弱以致失常。
以后的牛顿除了从事货币改革、研究炼金术和注释圣经外，从1703年当选皇家学会主席至去世，还做过一个时期的议员。
但近40年当中，他几乎没有什么突出的科学成就。
牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学会会议时突然发病，两周之后去世。
他是英国历史上第一个获得国葬待遇
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