В школе хилого и замкнутого мальчишку явно недолюбливали. Как-то раз одноклассник избил Исаака, и после этого Ньютон решил во что бы то ни стало заслужить уважение окружающих. Постепенно он стал лучшим учеником школы, вдобавок еще серьезнее занялся техникой, математикой и исследованием природных явлений.
Однажды Исаак даже победил в состязании по прыжкам в длину. Его соперники не знали, что прыгать лучше по ветру, а Ньютон заметил это и всех обыграл. После он еще поэкспериментировал, прыгая по ветру, против ветра, в безветренных условиях и записывая полученные результаты. Это помогло ему получить представление о силе воздушного потока.
По воле матери, которой нужен был помощник по хозяйству, Исаак вернулся домой, не окончив обучения. Однако работник из него был так себе: намного больше Исаака увлекали книги и конструирование механизмов. И мать, поддавшись уговорам учителей, позволила сыну вернуться в школу.
После выпуска юноша поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета и там самозабвенно занялся математикой, астрономией, оптикой, фонетикой и даже теорией музыки. В 21 год Ньютон начал самостоятельную научную деятельность, составив перечень 45 нерешенных проблем человеческой жизни и природы. Тогда же судьба свела его с математиком Исааком Барроу — преподавателем Ньютона, впоследствии — одним из его немногих друзей. Благодаря Барроу молодой ученый сделал свое первое открытие — вывел формулу бинома, т. е. разложения на многочлен натурального двучлена (а + b) в степени n, а через него пришел к своему главному математическому методу — разложению функции в бесконечный ряд. Сегодня каждый уважающий себя школьник если не знает, то, по крайней мере, наслышан о биноме Ньютона.
Продолжая математические изыскания, ученый пришел еще к одному важному открытию — разложению сложных функций в бесконечную сумму более примитивных степенных функций. Кроме того, Ньютон создал таблицу таких первообразных функций, которая вошла во все учебники математического анализа. Это изобретение, по словам ученого, позволяло ему сравнивать площади любых фигур «за половину четверти часа». Также Ньютон придумал численный способ находить корень функции т. н. касательным методом — путем построения отрезков, постепенно приближающихся к графику функции.
В 1665–1667 гг., когда в Англии свирепствовала чума, Ньютон вернулся в родную деревню и занялся исследованием оптических явлений. Пытаясь выяснить, как избавить телескопы от искажений, ученый пришел к изучению преломления света. И в результате сделал вывод: луч — это поток частиц, которые вылетают из некоего источника и движутся по прямой до ближайшего препятствия. Такая модель стала основой современных представлений о световом излучении.
В трактате «Оптика» ученый выделил 5 цветов радужного спектра: красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый. А чуть позже, стремясь найти соответствие между количеством цветов и тонов музыкальной гаммы, добавил еще два — оранжевый и синий. Кроме того, Ньютон первым догадался, что видеть мы можем благодаря давлению света на сетчатку глаза. Чтобы проверить свою гипотезу, ученый изготовил тонкий изогнутый зонд, вставил его себе в глаз, надавил на внутреннюю сторону глазного яблока — и увидел цветные вспышки и круги.
Примерно тогда же Исаак открыл закон всемирного тяготения, согласно которому между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Хотя идея силы тяготения высказывалась и раньше (например, Эпикуром и Декартом), Ньютон первым догадался, что гравитация действует между двумя любыми телами во Вселенной и что движением падающего яблока управляет та же сила, что и вращением Луны вокруг Земли. Таким образом, открытие Ньютона легло в основу еще одной отрасли науки — небесной механики.
В 1668 г. Исаак вернулся в Кембридж и получил степень магистра Тринити-колледжа. А через год 26-летний ученый стал профессором математики и оптики, сменив на этом посту своего учителя Барроу. Впрочем, преподавание давалось Исааку с трудом, и посещаемость его лекций была невысока. Зато в этот период ученый изобрел телескоп-рефлектор, который прославил его и позволил вступить в Лондонское королевское общество. Несмотря на скромные размеры, телескоп давал 40-кратное увеличение высокого качества — благодаря зеркалу, выполняющему роль светособирающего элемента. Позже с помощью усовершенствованных рефлекторов была открыта планета Уран.