二、光学
牛顿关于光学的研究，最早可以追溯到1664年，当时他还是剑桥大学的学生。这是现存于他早年笔记本Waste Book中的一则札记。[33]在以后的笔记中，他还断断续续地记录过十二次，其中最重要的有《若干哲学问题》中的“论颜色”，[34]《数学笔记本》里的“论折射”，[35]和《化学笔记本》里的“论颜色”。[36]在很大程度上可以说，牛顿以后在光学方面的工作，常以这些片断的研究为出发点。
1668年，牛顿做成了他的第一架望远镜，长6英寸，放大倍数大概是40倍。他用这架望远镜观察了木星的卫星和金星的位相。1671年，他又建造了一架性能“远较以前优良”的望远镜，并在1672年元月11日皇家学会的会议上展示。应皇家学会要求，牛顿写了有关这一望远镜建造的说明，1672年2月19日发表在皇家学会通报上[37]。这是牛顿公开发表的第一篇光学论文。
这篇论文主要讨论后来非常著名的棱镜实验。牛顿声称这一实验是在1666年完成的。光束射入黑暗的室内，通过三棱镜的作用，形成了光谱。牛顿报导说，光谱距棱镜22英尺，光谱最大长度13
英寸，宽2
英寸。他注意到光谱宽度对小孔所张的角是31′，“与太阳的［角］直径相当”，但长度所张的角为2°49′，“较此一直径大五倍以上”[38]。
牛顿接下来分析了种种可能影响这一光谱生成的因素，例如玻璃透镜表面的不平整，由太阳圆面所张的角造成的日光的实际上的不平行性。他的分析表明这些因素对于光谱的形成影响不大。为了要解释棱镜之所以能在纵向上张2°49′的角而形成光谱，牛顿转向他的“判决性实验”。这一实验可以描述如下：在棱镜后面紧靠棱镜处置一不透光的屏，由棱镜射出的光仅可通过一小孔射到与此屏相隔约12英尺的第二块屏上。第二块屏上亦做有小孔，光线通过此一小孔射到第二块棱镜上，并由此再射到后面的墙上。此一装置做成后，牛顿写道：“我把第一块棱镜拿在手中，并缓缓地将它绕轴转动，从而使得象（即第一块棱镜所形成的光谱）的各部分……依次通过小孔，而我则可以观察到第二块棱镜会把它们折射到墙上什么地方。”他观察到光谱一端的光线受到较之“另一端明显地更大的折射”。牛顿于是得出结论说：光是由可折射程度各个不同的光线组成的。这些光线依各自的可折射程度被传送到墙上的各个不同的位置。[39]
牛顿根据这一结论指出“完善望远镜的可能性因此是有限的；”即使是完善的镜片，也不能避免由于“不同的折射”而引起的光线的发散。牛顿由此进一步提出，必须考虑反射望远镜。
文章的后半部是牛顿根据上述实验所推出的十三条结论。首先他指出，“颜色”不足以确立光之为光。“颜色只不过是光的一种最原本的和最本质的性质。”第二条结论指出，相同的颜色有相同的可折射程度，而相同的可折射程度对应于相同的颜色。第三条指出这种折射程度并不因折射、反射或其他任何原因而改变。第五条指出有两种不同的颜色，即原色与复合色，第七条说明白光是所有原色的复合。第九条利用这种复合色理论解释光谱的生成，第十条解释虹的形成。第十一条解释透明物体的颜色。第十二条解释了胡克（R.Hooke）在他的《显微术》中提及的一个现象：当透明的楔形容器分别充以红色和蓝色的液体时，它们各自有自己的颜色。当把它们放在一起时，变得完全不透明。——这是因为光透过其中一个容器时，只有一个成分的光线，例如红色，能通过其中的液体，但这一种光线却完全不能通过另一容器中的液体：因此两容器的合并使用就变成了全不透明的东西了。第十三条解释了固体的颜色。
牛顿接着断言：“事情就是这样，在黑暗当中是否有颜色，或者颜色是不是我们所见的物体自身的性质，抑或光是否为一物（a body），均不能再作进一步的辩论。”
在这篇“1672年论文”后来的一个印件中，牛顿加上了一个注释，[40]似乎意在说明他并无意特别偏袒后来被称为“光的微粒说”的那一种理论解释。他称“微粒”或“波动”的划分是“有些人从机械论假说发展出来的不适当的划分”，在另一处[41]他还强调了上文中“抑或”（perhaps）一词，说他并不一定主张光作为一种物质的观念。[42]
这篇文章引起了广泛的注意，并且几乎立即遭到了胡克、惠更斯（C.Huygens）和I.G.帕迪斯（Pardies）的批评。他们的批评主要集中在牛顿的结论部分，尤其是关于光的本性的揣测。胡克认为，牛顿的实验并不能必然地得出他的结论。换言之，利用已有的波动图象，也可以解释色散现象[43]。惠更斯认为必须对牛顿关于颜色的理论作进一步的分析，以判定这一理论是不是“同所有的实验相一致”。[44]帕迪斯开始对牛顿的“判决性实验”持有疑义，经牛顿解释始得“满意”。[45]
牛顿的公开答辩除了再三解释他的“决定性实验”之外，还表现了一种关于光的本性的慎重态度。他重申要想断定“光是什么”决非易事，而且“我也不想把揣测混同于业已确定无疑的事。”[46]
由光的色散引起的关于光的本性的争论持续了四年之久。从2月文章发表到是年11月，牛顿一共在皇家学会的《哲学通报》上发表了十篇关于光学的通讯或文章，以后四年又发表了近十篇文章，全力解说他关于光学的工作。这些论文的主要内容后来即发展成为牛顿关于光学的系统著作《光学》。
《光学，或关于光的反射、折射、拐射和颜色的论文》的稿子是1704年2月16日交给皇家学会的，同年有两个不同的版本印行。一是《光学》全文并附两篇短论Quadratura和Enumratio以及一部分的“疑问”。另一种版本仅含《光学》一书正文。牛顿未在这第一版上具名，而只是用了他的名字的缩写I.N.。
《光学》正文分为三篇，前附牛顿自己撰写的“出版说明”，时间是1704年4月1日。在“出版说明”中牛顿称这书的主要内容写于1675年和1687年，只是第三篇和第二篇最后一个命题是从零散的论文中集起来的。《光学》的三“篇”（Book）正文又各自分为若干“部分”（Part）。现在通行的版本是1730年伦敦第四版。
第一篇处理与棱镜实验有关的折射和色散现象。牛顿一开头就声称《光学》一书的目的不在于“利用假说解释光的性质，而是通过推理和实验展示和证明它们”。接着他引进了八个“定义”、诸如“光线”，“折射能力”、“反射”之类的概念，由此明白界定。定义概念以后，牛顿以“公理”形式引进了一系列当时已经完全明了的基本现象和基本关系。如入射、反射和折射角共面，入射角与反射角相等之类，被作为公认的事实而接纳入理论。完成这些预备性工作以后，牛顿展开了一套“命题”。对于第一篇来说，这些“命题”主要是关于日光分解的问题。命题1断言不同颜色的光有不同的折射率，命题2把命题一用于日光：“日光由不同程度地可折射的光线组成。”这一命题下的“实验三”中，牛顿叙述了棱镜实验。这一命题的陈述包含了七个实验，长达37页（从26到63页）。在这些实验中，有1672年曾引起严重关注的“判决性实验”。（实验6以及所附“说明”）实验9和实验10则是设计得更加精巧的分解太阳光的实验。命题六处理当时已经很著名的“正弦定理”。命题7总结了棱镜和光谱实验，指出改进和完善望远镜的可能性是有限的。这也是1672年争论过的一个大问题，牛顿为之花了25页的篇幅，引用了大量的具体数据。命题8结束第一篇的讨论，提出了反射望远镜的设计，并附有原理图。(https://www.daowen.com)
第一篇的第二部分较上面介绍的第一部分简单得多，含十一个命题，处理颜色的本质。其中命题2用两个实验说明“均匀质的光有对应于其可折射度的一定的颜色，且这种颜色不因反射和折射而发生变化。”命题5论日光的白色由诸原色合成；命题7断言世间一切颜色不是由单纯光构成就是由单纯光复合而成的。命题8解释棱镜产生的颜色，命题9解释虹的产生，这是一个整个17世纪一直吸引着物理学家的大课题。第一篇第二部分的这些命题同于第一部分，均有“实验”证明。
第二篇主要处理今日所谓的干涉现象，分四个部分。但第一、第二部分均未列“命题”而仅叙及“观察”。第一部分罗列多达二十四项观察，主要涉及“反射、折射和薄而透明的物体的颜色”。其中观察一到观察十六处理类似“两件微凹棱镜”压在一起那样的“薄而透明的物体”，因此产生的光学现象后来被称为“牛顿环”。牛顿测量、估算和描述了各种不同情况下的现象。观察17至24处理一些更复杂的形体，例如充满水的、充满肥皂水的各种水包所引起的光学现象。
第二篇第二部分比较简短，牛顿以“前述观察之评述”总领其文。这部分包含对前述材料的分析。他声称他所引述的这些“新材料”分别为他先前关于日光和棱镜的分析提供了新的证据。
第二篇第三部分由二十则命题组成，从“薄而透明的物体的颜色”通过“类比”转到“自然物体的永久的颜色。”较之前两部分，这部分的理论性明显增强。命题1—7主要发展了一套企图解释反射和折射原因的、或可戏称为“物质结构”式的理论；命题八则是一则与这种理论相关的否定式论断：“反射的原因并非如通常所想的那样，是光与物体的坚固的或不可透过的部分相撞。”命题9—12可能对现代读者说来更好解释：命题9指出物体反射与折射光的张力是同一固有张力；命题11指出光的传播不是瞬时的，而且，牛顿具体地指出，根据罗默（Roemer）的观察和他的进一步的计算，光从太阳到地球要大约七到八分钟。
命题13前牛顿加了一项“定义”，提出了“fits”概念，这一词有时被译作“突发”。牛顿企图利用这一概念以及相关理论，解释“为什么厚而透明的物体表面反射一部分入射光而折射其余部分。”一直到这一部分最后一个命题（命题20），牛顿全在解说他的fits理论。
第二篇的第四部分进一步讨论“厚而透明、而且表面磨光的平板的反射与颜色”。这一部分共含十三个观察记录。整个第二篇占全篇三分之一稍弱的篇幅，而第一篇占了二分之一弱。
第三篇虽然一开头就标出“第一部分”，但终其全篇未见第二部分。[47]第三篇从内容上可以划分为前后两段。前段是“关于光线拐射以及由此产生的颜色的观察”。记录了若干“观察”以后，牛顿写道：“当我作以上观察时，我是想以更加仔细和精确方式重复观察的，……但那时候我的工作被打断了，而且现在也不能对这些事作进一步的考察。既然我还没有完成我最初计划的这一部分，我将仅以提出一些问题来总结，以利于别人作进一步的研究。”
牛顿于是转入了著名的《光学·疑问》部分。现在看见的附于本书的三十一个问题，实际上是分三次加入《光学》的，其内容也自然地相应分为三组。疑问1—16出现于1704年英文第一版的两个版本之一；现在编为疑问25—31的六个问题最初出现于1706年的拉丁文第一版中；而疑问17—24则属于1717年英文第二版。因为现在尚未明了的原因，这八个最后提出的问题被插在上述两组之间，形成了现在这样的编号系统。
如果说《光学》中的“突发理论”以及诸多的实验表明了牛顿的探索精神，那么《光学·疑问》集中反映了这种探索中牛顿所遭遇的困惑、曲折，以及他为获得一种对自然的真正理解而作的艰苦努力。
从内容上说，“疑问”也可分为与其写作时间相应的三组。问题1—16可视为第一组，讨论两个方面的问题，即问题1—5谈论光与物体的作用，6—16讨论光和热，光与视觉生理现象。问题1—5都很简短，一般都是5—6行而已，这和后面的，例如长达30页的问题31相比，当然很不相称。这种差别一方面当然是因为这些问题根本不是在同一时期写的，另一方面也因为它们各自处理的问题根本不一样。问题1—5主要问光与物质的作用是不是“超距的”，其机制如何——这些问题对于三百年后今天的物理学来说，还不甚明了，我们当然也不能期望牛顿在当时能提出很多想法了。问题8涉及发光现象。“光是怎样形成的呢？”牛顿问道。他列举了暴风雨中的大海，在黑暗的地方抚摸猫背或马颈，磷火，等等。——是不是所有“被充分激动了”的物体，“不管这种激动是由摩擦、撞击、腐烂或由任何富有活力的运动引起的，都会发光呢？”问题12问道，是不是落入眼睛深部的光线在视网膜上激起振动，这一振动又被沿着光学神经的组织传入大脑，从而引起视觉呢？问题13接着问道，是不是不同的光线引起的这种振动大小不同，从而引起不同的颜色感觉，一如听觉的情形呢？问题15问两眼的视觉在何处汇合，问题16提到一个更令人困扰的生理现象，即当用力压眼角时，为什么会有“类似孔雀尾巴羽毛的彩色环”出现在他面前呢？
在17世纪最后一段时间内，这些生理现象、颜色问题成了最先揭示当时的光学理论所遭遇的困难的课题。牛顿在《光学·疑问》的第一组问题中所提出的，正是这一类困难。
疑问的第二组（17—24）和第三组（25—31）则涉及更广泛的问题。为行文方便，将由下面“物质理论”和“力学”分别处理。
