1704年，牛顿把自己研究了30多年的光学写成了一本关于光学的巨著
《光学或光的反射、折射、弯曲与颜色的论述》。这本书共分三章。第一章， 首先列举“公理”与“定义”，然后讨论了一般的折射与反射，太阳光谱与 反射望远镜；第二章，研究了薄膜的颜色，自然界里物体的颜色，光的性质； 第三章，介绍了衍射现象，论述了晶体内的双折射，解答了一些一般的自然 科学常识问题。
在这本书中，牛顿不仅总结了自己的研究体会，而且讨论到偏振光、电 现象等远远超出他所处时代的科学现象；他已经预见到了未来世纪的科学家 们以电力解释原子作用的正确途径。所以，一位著名的英国学者说过：“单 凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。”
四、深入研究万有引力
1677年，牛顿的导师和最真挚的朋友——巴罗去世了，这给牛顿带来了 巨大的悲痛。
不久，牛顿在继续进行光学研究的同时，又开始进一步研究物体间引力 和行星运动规律的问题。1679年，他和当时皇家学会的秘书胡克进行了这方 面的讨论。牛顿曾向胡克提出了一个问题请他共同思考：如何证明地球是绕 自己的轴进行着不停地自转？这个问题不一般的地方在于以前从没有人提供 过地球活动的直接证据——人们只是通过观察太阳与星星位置的变动来提出 间接的证据。
牛顿当然知道，当地球自转时，所有的东西都和它一起转——人、房屋、 树木、海洋等等。但是如何才能把这种认识与地面上的静止状态统一起来呢？ 比方说向空中抛起一个球，如果它的运动方向垂直于地面，那么被抛起的球 会重新落到抛物者的手中吗？如果谁垂直向上跳起，会落在原地吗？答案都 是肯定的——球落在抛出者手中，跳跃者落回起跳地。之所以这样，是因为 有地球吸引力的缘故。由于地面上的万物同在一个体系里运转，因而它们好 像是不动的。
但是，对于距离地面相当高的地方，即距地心相当远的物体，情况又会 怎样呢？牛顿设想，在一根垂直向上延伸好几公里高的旗杆，在杆顶放一块 石头，那么经过一段时间后，这块石头所经过的圆弧肯定大于在杆下的人所 经过的圆弧。所以说，旗杆上的石头运动速度要比地面上人的运动速度快。 这与车轮在转动时，轮面上各点比车轴中心各点转得快是同样的道理。
仍将牛顿这样的理解用于这根旗杆上去，假定那块石头从旗杆顶端下落 至地面，那它会落在什么地方呢？可以肯定，它将不会落在旗杆的底部。牛 顿认为，它“不会垂直地下落……而要超出一部分地面，会朝东一点，它的 下落线应呈螺旋形状……。”在给胡克的信中，牛顿对于他认为之所以会出 现这种情况解释道：石头在下落之前，它的圆周速度要比直接在它底下的物 体要快；因为已知地球是自西向东转动的，那么，这块石头的落地点将在旗 杆与地球中心连接线以东的某一点上。
胡克收到牛顿的信后，对这个实验马上着了迷。他在皇家学会的例会上， 宣读了牛顿的这封信。会员们马上委托胡克亲自做这个实验。做实验时，胡 克仔细地研究了这个问题，得到的结论是认为牛顿并不完全对。胡克的解释 是：假如在赤道上做这样的实验，那牛顿的推理将是正确的；但如果在北半 球的一点之上，譬如说在伦敦，那实际情况又应是怎样呢？在这种情况下， 石头的落地点不但向东偏，而且还会南偏。也就是应坠落在旗杆的东南方向 某一点。胡克还认为，石头的下坠线不是如牛顿所说的是螺旋形，而是呈椭 圆上一段弧的形状下落。
虽然牛顿在信中已和胡克说好，如果他们中间对问题的思考有不同意 见，也将保留在两个范围中间，不对外公开。但胡克却不想放弃这次胜过牛 顿的好机会。在学会的下一次例会上，胡克便向会员指出了牛顿在理解上的 错误。经过实验证明，胡克所说的落体下落方向是偏向东南的，下落线呈椭 圆弧状。
牛顿当然不满胡克的违约，同时也对自己在思考问题时的不周全感到懊 悔。在自己的回忆录中，牛顿提到了这件事，“由于胡克改正了我提出的螺 旋线的错误，使我在以后的研究里特别注意椭圆轨道；更重要的是，他对我 的这次教训，把我从别的研究里拖了出来，再次注意引力与行星运行轨道的 研究。”
是的，胡克得到了暂时的胜利。但这件事却引起牛顿作出了一系列独立 的、新的思考。
经过不懈地努力，并参考最新的研究成果。1682年，牛顿根据自己总结 的万有引力定律进行仔细地推算后，找到了行星围绕太阳运动轨道的方程 式。这个方程式告诉他，行星的轨道应该是椭圆，这一理论上的证明正与70 年前开普勒的实际观测结果相符合。如果将这一方程式公诸于世，那马上会 轰动整个科学界；然而，在找到问题的答案之后，牛顿还是按自己的老习惯， 把这些能震动世界的笔记塞进抽屉里；他既没有通知皇家学会，也没有对别 人谈起。随即，他又把精力转到了其它研究之上，把这件事给忘了。
可是，当时还有其他三个人也正在努力，希望解决这个问题。这三个人 是——著名的建筑师、数学家雷恩爵士；天文学家兼物理学家哈雷（就是他 后来推算出哈雷慧星的轨道和周期）；还有胡克。在这时，哈雷和胡克已经 在实际研究中认识到了“引力按距离的平方或反比”这一规律；哈雷此时想 知道，在这种引力的作用下，行星应该在什么样的轨道上运动的问题。于是 他就请来了和自己在同一城市的雷恩与胡克，与他们一起讨论这个问题。
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