炼金术、化学和物质理论（1669—1696）
牛顿的早期研究者对于牛顿的炼金术-化学研究常常表示困惑，[109]以为和他的力学研究不相协调。直到1975年，一系列的研究才真正令人信服地说明了牛顿这些研究在历史上的真实地位和作用。[110]
牛顿对于化学和炼金术的兴趣是显而易见的。在他的藏书中，炼金术和化学的书籍共有169本，占他藏书总数的9.5％，而物理学和光学书籍仅占3％。[111]他关于炼金术的笔记长达65万字（word），仅次于神学笔记。据他当时的助手和仆人汉弗莱·牛顿（Hamphry Newton）说，在1685—90年间，春秋两季各有六个星期，牛顿实验室里的炉火“很少有熄灭的时候”。
牛顿这一方面的兴趣可以追溯到1660年代中后期。手稿MS Add 3975中含有大量的札记，而零星的记录还可以推到更早的时代。[112]1669年，他还买了两只炉子和化学药品，专门从事这方面的研究。[113]1675年，有一位M先生[114]给他不少手稿，显然很大地引起了他向这方面进一步努力的兴趣。
尽管牛顿一直没有中断过他对炼金术的研究，其最重要的进展迟至《原理》写完以后才出现。把牛顿所有关于炼金术的手稿按时间分类，可得在1675年以前写成的仅占20％，1675—1687年期间占30％，1687—1696年期间占50％，——1696年以后他几乎没有写过什么了。[115]这一时间分布表明，炼金术的研究是牛顿科学生涯极盛年代的一个重要组成部分。
从内容上说，早期的手稿多数是读书笔记。有时他在单纯的摘录之外还加上他自己的见解。他大概在学生时代就已知道大多数化学品的制法，大概在1667年或稍后，他阅读了玻义耳的《论形态》，并作了笔记，在笔记中表现出对嬗变的明显兴趣[116]。接下来有很大一部分手稿是纯粹的摘录。1670—75年间，牛顿从一位“Mr.F”处得到不少手抄的炼金术论文[117]，并由此大量阅读了炼金术文献。他主要阅读的作者有Basilius Valentinus，Eirenaeus Philalethes，Sir George Ripley和M.Sendivogius& J.d'Espagnent。[118]1670年代后期，牛顿的一份手稿总结了他的早期研究。[119]这份手稿已经完全解读——虽然学者们尚不能断定这是牛顿自己的创造呢还是他抄录的别人的工作。手稿的主题是如何得到能化解所有金属的“哲人汞”philosophic mercury。从一能被称作star regulus（帝星？）的锑的化合物和被称为doves of Diana（戴安娜之鸽？）的银以及普通水银中可以制得这种哲人汞。从17世纪的炼金术传统来看，这种哲人汞是制造能够点石成金的哲人石的前提。虽然牛顿好像很看重这份手稿，把它叫做Clavis或“Key”，并说他已由此法成功地得到了哲人汞，科学史家并不把这一工作视为牛顿在化学上的主要成就。
手稿MS 18以后的工作，或“中期工作”，[120]目前还很不清楚。韦斯特福尔（Westfall）曾注意到1680年前后牛顿在炼金术方面有“新的研究动向”，特别是他开始了自己独立创作，[121]炼金术的范围也稍事扩大。他写了多篇显然包含他自己的见解的文章，例如“论绿狮”，“论双重汞”等等。[122]稍后，他还写了标题为Regimen（养生术？）的短文。[123]在这篇文章以后不久，牛顿又写了一篇或许是他的最重要的化学札记，Index chemicus。
这篇札记有好几个稿子流传下来，[124]其最完善的一稿长达100多页，含879个标题，其中46个最重要的，占42页，涉及100个不同的作者的144本（或篇）不同的著作。这一大篇文字的原来目的还不清楚，大概是牛顿为自己准备的一种关于化学品的总索引。这份手稿似乎经过多次修改或重写，而牛顿从事这一项工作的时间肯定断断续续地占据了整个1680年代。
牛顿最后从事炼金术的阶段好像是1690年代的最初几年。他的最后的实验记录是1696年2月的，以后几个月他就被任命为造币厂的负责人了。同属于这一阶段的还有一份手稿，Ripley Expounded，是一篇“论文”。(https://www.daowen.com)
尽管目前对手稿的解读取得了很多进展，仍旧有相当一部分内容不可解。尤其是对整个17世纪炼金术的背景目前尚未有完整的认识，因此对牛顿大部分已经解读的炼金术手稿的原来目的和具体内容还不甚了然。从牛顿在1685年前后关于炼金术的紧张研究，尤其是1680年他的手稿中出现的“新研究动向”看，《原理》中引进的完整的力的概念可能是从化学中转借过来的。物质微粒间的吸引和排斥之力，尤其是最后出现的万有引力概念，很可能最早是由炼金术原则中推演出来的。[125]也有一些作者认为，牛顿科学思想在1670年代的最后几年有一最关键的进展。[126]牛顿认识到，以太的观念对于力学说来并非必要，而且，最重要的是，没有实验事实支持以太的存在。——事实上，以太之所以未被排除出自然科学的主要基础概念，是因为为了要描述“作用”而必须有一种承当媒介，用以构造机制的东西。牛顿从化学-炼金术研究中看出，一种普遍存在、作用着的“力”很可以充当构造机制的角色。
牛顿还考虑过“排斥”力的存在，[127]但他的主要注意力仍是吸引力。牛顿在1680年代的最初几年里，一定完全沉浸在这一非常困难的问题之中。吸引力在机械论物理学盛行的1680年，实在是大有可疑的。[128]但是另一方面，牛顿又的确看见自然界中的重力、磁力和电力吸引作用，并且认为这种作用是“自然界的一种意向和趋势。”[129]且不论其机制，这种趋势在牛顿看来是和自然的本性连接在一起的。他一再重复要求把关于自然的各种不同的“表现”综合加以考察，“因为自然本身必是极其简单并且极其和谐的。”[130]
在《原理》完成以后的若干年里，这种关于力的理论进一步发展，并与关于以太的考虑结合在一起，形成了牛顿的物质理论。1718年版的《光学》中加入了第三组“疑问”，插在1704和1706年版的两组疑问之间，即现在所见版本的“疑问17—24”，全部讨论以太问题。“疑问21”特别讨论了引力，吸引力和以太的弹性力。所有这些，好像为以前写的关于物质结构的文字作了进一步的注释。
早在大学时代的札记里，牛顿就谈论了原子的概念。牛顿写道，“因此，元物质必然是原子”[131]，而这种原子也不是“数学的点”[132]。这种观念在《光学》中清楚可见，他写道：“上帝在开创之时把物质造成坚硬、结实、有形、不可入而可移动的粒子……甚至坚硬得永远不会磨损或破裂。”[133]在《原理》中，他甚至把这些要求立作“所有哲学的基础”[134]。
《原理》第一版出版以后，牛顿就致力于解释他的理论基础。1691年，当时还是学生的本特利（R.Bentley）致函牛顿，要求牛顿帮助他阅读《原理》。牛顿很慷慨地向他提供了种种帮助。1693年，当本特利应邀作首届玻义耳讲演，讨论如何反驳无神论时，他再次向牛顿请教“宇宙的起源和结构”。他们之间的四封信后来由本特利的孙子在1756年发表[135]。
不少学者相信，和本特利通信的一个直接结果就是在《原理》第二版里加上了一段“总注释”，正面处理了与《原理》有关的最基础部分的问题。在这段著名的文字的结尾部分，牛顿写道：“至此，我们已用万有引力的力量解释了天体和大海的现象，但未把这一力量归向任何的原因。”[136]
