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牛顿于1642
年的圣诞节出生于林肯郡的伍尔索普村，就在这年，伽利略去世了（奇妙的是，两个多世纪后，19世纪最伟大的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦去世的同一年——1879年，阿尔伯特·爱因斯坦出生了）。他是个瘦小体弱的婴孩，连他的母亲都对他能在出生之日活下来而感到吃惊（他的父亲也叫艾萨克，在小艾萨克出生前三个月就去世了），但他不但生存了下来，而且还活了84年。他为包括他自己在内的18世纪早期同时代人所敬畏的物质世界提供了最佳的描述，从而成就了自己在科学和科学方法上的贡献。这被反映在亚历山大·蒲伯的著名双行体诗中：
自然和自然律隐藏在黑暗当中；
上帝说，让牛顿生！于是一切大白于天下。
但是，正如我们接下来看到的，事情也并非那么简单明了。
在牛顿还不满两岁的时候，他的母亲再婚了，并移居到附近的一个村子里。牛顿由他的祖母抚养，一直到九岁时他的继父去世为止。这次分离所造成的心灵创伤，可能是牛顿直到长大成人后都行为怪异的原因，其中包括他在后来研究工作中的神秘主义倾向，对自己的著作发表后别人会怎么看待的问题深深的忧虑，以及对来自其同时代人批评意见的粗暴和非理性的反应等。继父去世后，艾萨克重新和母亲在一起生活，母亲对他的希望是将来接手管理自家的农场，但他对此表现得令人失望，宁可读书也绝不放牧，最后母亲不得不让他回到格兰瑟姆的中学读书，然后（在一位与剑桥三一学院有关系的叔父的帮助下）进入了大学。他于1661年到达剑桥，因为中学途中的这个插曲，牛顿的入学年龄比其他大学新生略微大了一点。
牛顿的笔记显示，在大学低年级时，他就对各种新观念很感兴趣，其中包括伽利略和法国哲学家笛卡儿等人的思想。他们的思想标志着把宇宙看作一架机器观念的开端，但当时还不是统治大部分欧洲大学的官方主流观念。牛顿自己在吸取这些观念的同时，也对官方主流的各种（建立在亚里士多德学说基础之上的）旧式课程进行了刻苦的学习，并在1665年获得了学士学位。在教师们的眼里，牛顿不过是个中规中矩的好学生，但不是个杰出的人才。就在这一年，伦敦暴发了瘟疫，结果大学被关闭，牛顿回到了林肯郡的家，在家里待了将近两年，直到正常学业得到恢复。
正是在这两年当中，牛顿推导出了引力的平方反比定律——或许是受到苹果下落的启发。为了进行这一工作，他发明了一种新的数学工具：微积分，这使得整个计算工作更加直截了当。但他不满足于这项工作，开始着手对光的性质进行探索，发现并命名了光谱，即当白色光通过棱镜时所产生的彩虹式色彩排列。但所有这些工作都没有对当时的科学界产生任何影响，因为牛顿没有告诉任何人他所进行的事情。当剑桥大学在1667年重新开学时，他被选为三一学院的职员，到1669年，牛顿已经把自己的一些数学思想发展到开始在学术圈里流传的程度。此时，剑桥大学的一些教授们开始注意到他的能力，1669年，当艾萨克·布朗的任期期满时，他没有续签卢卡斯数学讲座教授职位（以便腾出更多时间用于神学），而推荐了牛顿作为其继任者。牛顿以26岁的年龄成为卢卡斯数学讲座教授——这是个可以终生担任的职位（如果他自己愿意的话），没有指导学生的职责，但要求每年提供一个讲座。顺便说一下，如今的卢卡斯数学讲座教授是斯蒂芬·霍金。
在1670年到1672年间，牛顿利用这些讲座把自己关于光学的研究进行了扩展，这些扩展最后成为他的不朽名著《光学》中的第一部分内容。但这本书直到1704年才出版，这也显示了牛顿在冲突激烈的学术生涯中的个性矛盾。问题肇始于牛顿在皇家学会报告其观点的时候——该学会创办于1660年，并已成为英国科学交流的主要渠道——牛顿记录了他与罗伯特·胡克的争论，最新的研究表明，这个著名的争执记录被误读了300年。