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1663年，牛顿在剑桥大学读书的时候，受老师巴罗的影响，开始热衷于光学研究。他喜欢上了光学实验，还亲自动手磨制透镜，想装配出没有色差的显微镜和望远镜，这个愿望激励了他对光和颜色的本性进行深入的研究。
牛顿把自己关在一间漆黑的屋子里，在窗户上挖一个小孔，让适量的日光射进来。又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上，这样，他就获得了展开的光谱，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。通过仔细观察和反复实验，牛顿得出“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非均匀的混合体”的结论，推翻了从亚里士多德到笛卡儿都认为光是白色的理论，指出日光是七色的。
1704年初版《光学》封面Ⓦ
1704年，牛顿的《光学》出版，该书的副标题是“关于光的反射、折射、拐射和颜色的论文”，描述了许多巧妙的实验，还讨论了31个疑问。这些疑问非常具有启发性，可以看出牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先下结论。
《光学》一书系统阐述了牛顿20年光学研究的成果，是光学研究从几何光学向近代光学转变的标志之一；或者说仅凭光学方面的成就，牛顿就足以成为科学上的头等人物。爱因斯坦在为牛顿《光学》1931年重印本所写的序言中说：“牛顿的时代早已被淡忘了……牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库，尽管如此，他的光学著作的这个新版本还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎的，因为只有这本书才能使我们有幸看到这位伟大人物本人的活动。”