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牛顿1672年使用的6英寸反射望远镜复制品，为皇家学会所拥有
他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，发现了色光不会改变自身的性质 。牛顿还注意到，无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色 。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果，不是物体产生颜色的结果 。

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牛顿发现棱镜可以将白光发散为彩色光谱
由此，他得出如下结论：任何折射望远镜都会受到光色散成不同颜色的影响，并因此发明了反射望远镜（现称作牛顿望远镜）来克服这个困难 。他自己打磨大直径的镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，从而制造出了优于折射望远镜的仪器 。1671年，他向皇家学会展示了自己的反射望远镜，随后出版了自己的光学笔记，后来扩编为《光学》一书 。罗伯特·胡克批评了牛顿的某些观点，牛顿对此很不满，并退出了辩论会 。两人自此以后成为了敌人，这一直持续到胡克去世 。
牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，并会因加速通过光密介质而折射，他认为薄膜的折射和透射现象可以用光的“波动理论”来解释，但自己的“微粒理论”才能更好地解释光学现象，如衍射 。1704年，牛顿著成《光学》，其中他详述了光的粒子理论 。他认为光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成，并推测如果通过某种炼金术的转化“难道物质和光不能互相转变吗？物质不可能由进入其结构中的光粒子得到主要的动力吗？后世的物理学家多持波动理论观点 。后来的量子力学则认为光有波动和微粒二重性，称为波粒二象性，虽然该理论中的“微粒”光子与牛顿理论中的“微粒”差别很大 。
1675年出版的《解释光属性的假说》中，牛顿认为粒子间力的传递是透过以太进行的 。不过牛顿在与神智学家亨利·莫尔接触后重新燃起了对炼金术的兴趣，并改用源于赫密斯神智学中粒子相吸互斥思想的神秘力量来解释，替换了先前假设以太存在的看法 。拥有许多牛顿炼金术著作的经济学大师约翰·梅纳德·凯恩斯曾说：“牛顿不是理性时代的第一人，他是最后的一位炼金术士 。”[10] 但牛顿对炼金术的兴趣却与他对科学的贡献息息相关[11]，而且在那个时代炼金术与科学也还没有明确的区别 。如果他没有依靠神秘学思想来解释穿过真空的超距作用，他可能也不会发展出他的重力理论 。
牛顿使用玻璃球制造了原始形式的摩擦静电发电机 。
力学1679年，牛顿重新回到力学的研究中：引力及其对行星轨道的作用、开普勒的行星运动定律、与胡克和佛兰斯蒂德在力学上的讨论 。他将自己的成果归结在《物体在轨道中之运动》一书中，该书中包含有初步的、后来在《自然哲学的数学原理》中形成的运动定律 。
《自然哲学的数学原理》（现常简称作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下于1687年7月5日出版 。该书中牛顿阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律 。牛顿使用拉丁单词“gravitas”（沉重）来为现今的引力命名，并定义了万有引力定律 。在这本书中，他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法 。
《原理》的出版使牛顿成为当时最有影响力的科学家 。牛顿与其中的瑞士数学家尼古拉·法蒂奥·丢勒建立了非常亲密的关系，直到1693年他们的友谊破裂 。
晚年生活牛顿在1690年代写了很多处理圣经的文字解释的宗教小册子 。亨利·摩尔的宇宙信仰和拒绝笛卡儿二元论影响了牛顿的宗教观念 。在他发给约翰·洛克的一个从未发表的手稿中，他质疑了三位一体的存在性 。

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