波义耳听说德国物理学家盖里克（Otto yon Guericke，1602—1686）在1650年建造了第一台空气泵，目的是探讨真空（不包含物质的空间）是否存在。关于这个问题，亚里士多德没有经过试验，就断然回答“不”。盖里克的空气泵类似抽水泵，它的各个部件相当紧凑以至足够密封。盖里克把容器中的气体抽空，成功地证明了真空的可能性。亚里士多德说过，声音在真空中无法传播，而盖里克证明，在他所创造的真空里，人们确实听不到钟声（正如亚里士多德所想），尽管如此，声音可以在液体、固体和空气中传播。通过进一步实验，盖里克证明动物无法在真空容器中生活，蜡烛不能在其中燃烧（当时对气体还知之甚少——氧气甚至还没有被发现）。在一场引人注目的演示中，他还证明，即便50个人同时猛拉一根拴在活塞上的绳索，都无法克服空气压力使得活塞进入真空状态。
波义耳把化学科学带到近代。1657年，波义耳开始听说这些实验，并且得到胡克的帮助，胡克心灵手巧，善于制作各种器具装备。他们两人设计了比盖里克更好的空气泵。这次实验成功之后，人们常常把空气泵产生的真空叫做“波义耳真空”。
当时化学家和物理学家面临的重要挑战之一，是设计能够进行精确定量测试的仪器。波义耳还发明了温度计，那是一种真空并且完全封闭的装置。他也是第一位证明伽利略关于自由落体定律为正确的人：在真空中，不同重量的物体以同样的速率下落。如果没有空气阻力，羽毛不会浮在空气中，它将和比它重得多的铅块以同样的速率下落。在另一个有趣的实验中，波义耳还证明，钟的滴答声在真空中是听不到的，但是电的吸力可以穿过真空并在另一侧产生效应。
根据这些真空实验，波义耳开始研究气体的性质。
认识气休
很难想象，今天甚至连小孩子都知道的许多概念，17世纪那些一流化学家却不知道。1662年，波义耳表示，他可以压缩空气。他还发现，如果施加于气体的压力增加一倍，它的体积就会减少一半。用更为简洁和完整的话来表述，就是如果气体保持恒定的温度，则其体积与压强成反比。实验步骤如下：在一个17英尺长、一端封口的J型管内压入空气，另一开口端灌入水银以防空气逃逸。然后，增加汞的数量，使压强加倍，则空气的体积减为一半。再增加汞的数量，使压强增加为三倍，则空气的体积减为三分之一。如果减小压强，空气将成比例地膨胀。这一原理被称为波义耳定律。波义耳则诗意般地称之为“空气的弹性”。
波义耳的结论是：除非空气是由微粒或粒子组成，否则不可能以这种方式被压缩，因为在微粒中间才有空隙存在。因此，当压强增加时，这些微粒可以靠得更近些。波义耳的同事们重复他的实验，对这些结果留下了深刻的印象。自从希腊哲学家德谟克利特和希罗（Hero，公元60年左右）的时代以来，原子的概念首次有了长足的进展。正是德谟克利特最先提出原子观；希罗是古希腊的工程师，他在大约公元62年写道，空气一定是由原子组成，因为它是可压缩的。
波义耳在气体方面的工作为接近他的目标铺平了道路：把化学确立为一门基于机械论之上的、理性的理论科学。他发现的重要概念为理解物质的本性，尤其是气体，打下了扎实的基础，它们在18世纪结出了丰硕的果实。
化学的搭建：方法与元素
以今天的标准来看，波义耳不是一个彻底的近代化学家。他热心于炼金术并且相信金子可以从其他金属转化而来。通信证据表明，他和牛顿秘密（所有的炼金术都是如此）分享他们相信能最终实现炼金术目标的配方和物质。不过，他坚持的某些基本原则，却有助于把化学建成一门科学。
在他那本出版于1661年的《怀疑的化学家》（The Sceptical Chymist）一书中，他怀疑希腊人的这一说法，亦即元素（一种基本的、不可分的物质）能够直觉地认识到。波义耳强调说，元素只能通过实验才能提炼出来。波义耳并未抛弃传统的元素观，只是他认为这些元素应该通过实验得到，从而为接下来的三个世纪里诸多元素的发现创造了条件，这些元素都是古人、他的同代人，甚至他本人连做梦都未曾想到过的。
他提出，元素实际上是一种物质实体，只有通过实验才能确认。如果实验证明一种物质不能进一步分解，那么这就证明该物质就是元素。他还看到这一特性：几种元素可以组合在一起，形成其他物质——但是由此形成的化合物往往可以再分解，重新得到原来的元素。对于化学来说这是重要和决定性的一步，它因此而有资格与物理学及天文学平起平坐。这一功绩甚至远胜于波义耳定律，它是波义耳对化学和科学的最大贡献。
波义耳坚持把实验作为主要证据，这对当时的科学家产生了巨大的影响。波义耳决意要让化学引起自然哲学家的注意，因此他成功地使那些自以为是严肃科学家的人们相信，化学值得研究并且加以关注。至于下一步进展则不得不等待另一位有洞察力的化学家——拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743—1794），他在下一个世纪兴起一场化学革命。
与此同时，物理学的革命也远未完成。伽利略打开了许多大门，并且为此打下基础。随后，不利的周遭环境迫使一位尚未确立人生志向的学院研究者不得不度过一段额外的长假，结果这却成为有史以来最为重要（也许是这样）的一段科学生涯的开端。这个研究者的名字就是牛顿。
牛顿、运动定律和“牛顿革命”
如果我看得更远，那是因为我站在巨人肩上的缘故。
——牛顿（Isaac Newton，1642—1727）
伽利略的去世标志着一个时代的结束。在意大利，伽利略已经为强有力的新“科学方法”奠定了基础。但是即便在伽利略的时代，确切地说是到他逝世为止，意大利的伟大文艺复兴运动已经开始接近尾声。到了17世纪中叶，意大利已经不再为科学家提供最好的训练基地了。
在欧洲其他地方，新的政治结构采取了或多或少的统一政策，正在代替旧的封建社会，由单一民族组成的国家。但是，在意大利，旧的城邦仍然互相间持有敌意，似乎看不到团结起来形成统一力量的迹象。与此同时，到了15世纪末，航海家发现了一条绕过非洲好望角，通往东方的海上贸易通道，可以代替穿过中东的陆上通道，而意大利多年来曾经垄断了这条陆上通道。1661年，英国人得到了印度的孟买，结果英国与印度的贸易大幅增加。具有讽刺意味的是，1492年，正是意大利人哥伦布（ChristopherColumbus，约1451—1506）为欧洲人发现了大西洋彼岸的新世界，哥伦布当然不是以意大利的名义而出航，因为没有足够财富作支撑的、各个城邦相互独立的意大利是没有兴趣送他出航的。到了17世纪中叶，英国、法国、荷兰因此而财运亨通。当时意大利和希腊已经不再是西方世界的中心了。所以，扩张的精神在英国等国正在为科学的新进展提供更好的土壤。
再有，罗马天主教会对于宗教改革的强烈抵制在英、法等国收效甚微。1534年英国建立了独立的英格兰教会，由英国国王，而不是教皇担任首脑。17世纪40年代发生了一系列内战，也叫做清教徒革命，思想自由的事业因此更是得到大大的推进。即使英国在1660年回到了君主政体，政治和宗教领域观念上的冲突仍然引起了思想动荡，从而鼓励了独立思想和新观念的出现。
伟大的综台者
这就是牛顿于1642年12月25日出生后来到的世界，［他的生日是按当时英国采用的罗马儒略历（即公历）计算的］这个世界充满了政治骚乱和宗教冲突。然而，他的家乡却是一个相对平静的农场，位于林肯郡的伍尔索普乡村，林肯郡是英国东部以农业为主的郡。由于早产，他是如此瘦小，以至母亲如此形容，他可以装在一个量杯中。牛顿的童年非常孤独——父亲在他出生前去世，三岁时母亲改嫁，把他交给了祖母，他的童年大部分是和祖母一起度过。作为一个孩子，他常以制作一些小玩意来自娱自乐，诸如里面点着蜡烛的风筝，在天空中闪闪发光，还有水钟和日晷。有段时期他与一位药剂师搭伙，在那里他迷上了炼金术。他不乏好奇心，但在学校里还看不出什么苗头，至少在发生这起事件之前班上有一个小恶棍，偶尔成绩居于班上的前列，有一天牛顿和他发生了冲突。出于好强和荣誉感，牛顿突然开始发奋学习。
牛顿的母亲总是认为她的儿子应该接管农场事务，因为这时她的第二个丈夫也已去世。但是当牛顿离开学校承担农务时，显然他没有这方面的才干，相反，一有机会他总是与书为伴。多亏他的叔叔，一位剑桥三一学院的成员，把他送到剑桥大学。牛顿于1661年入学，1665年毕业。即使在23岁的年纪，他仍没有显示出特殊才华。毫无迹象表明他会成为科学革命的巨匠，从哥白尼、开普勒和伽利略以及其他人的思想中脱颖而出。也没有迹象表明他会在理论物理学和动力学方面作出伟大贡献。同样他也未表露出会在光学和数学领域取得巨大成功。
但是在1665年，一场鼠疫——大瘟疫——袭击伦敦，这座城实际上成了死城。剑桥也难以幸免，于是，牛顿离开大学回到相对安全的林肯郡农场，在那里，他利用18个月的长假，开始整理一些思想。在这段时期里，他奠定了微积分的基础，这是一种数学计算方法，它的发明使得科学家能够应付复杂的方程式。也就在此期间，他注意到了一个苹果落到地面（尽管不像传说的落在他头上）。（历史学家对此事的真伪提出质疑——但是有人辩护说，至少可以说明，看来牛顿的思考是建立在观察之上的。）这件事使他若有所思，也许把苹果拉下地面的力跟维持月亮沿轨道运行的力是同一个力？这一观念代表了与亚里士多德传统的决裂，亚里士多德坚持说，地上和天上运行的是两套完全不同的定律。而牛顿开始看到，苹果与月亮遵循同样的自然定律，只有一套普遍的定律，而不是两套。
牛顿在物理学中的地位只有20世纪的天才爱因斯坦才能向其挑战。在牛顿被迫闲居乡间时，他还做了一系列涉及光的精彩实验。当时，每个人都假设白光是因为缺乏颜色。为了试验这一点，他把一块棱镜放在一个用厚帘子遮住的暗室前面，让它刚好位于暗室的开口处，以便阳光穿过它投射到屏上。光线分解成如彩虹般的颜色一——红、橙、黄、绿、蓝和紫。这些颜色是从哪里来的？是棱镜产生的吗？牛顿猜测它们是光线本身的成分，所以他把折射光，也就是彩虹“光谱”以相反方向穿过另一个棱镜。各种颜色重新合并，在屏上出现了清晰的白光点。
1667年牛顿回到剑桥，1669年成为那里的数学教授。回到剑桥时，他刚好25岁，对牛顿来说，一生的主攻方向已经确定，但是他现在已经不再离群索居。他生活在这样一个伟大的时代，科学受到广泛关注，到处都充满挑战、交流和争论，他卷入其中，也许身不由己。1672年，牛顿被选为皇家学会会员，他在这里报告了有关光的实验和光学理论。尽管话语不多，但他还是看到了荣誉以及公开交流的价值所在。
然而对于牛顿来说，与皇家学会打交道并不事事顺利。皇家学会的实验主管胡克也做过某些类似的实验——尽管不如牛顿那样透彻明确，于是，他马上提出反驳。1665年，胡克曾在他的著作《显微术》（Micrographia）中公布过光的波动理论，把光的传播比作水波。他还提出过一个颜色理论，用以解释薄膜的颜色和通过薄云母片观察到的光。但是他的观察只局限于两种颜色，红和蓝，而他的解释也不甚充分。尽管如此，他还是感到牛顿踏进了他的领地，于是一场终生的怨仇开始了。
孤独的童年在牛顿的一生留下了深深的烙印，他一辈子不结婚，经常陷入轻微的妄想、具有动辄抗争的性格。因此，他在许多情况中都不能与其他科学家或同事密切合作。然而，正如他自己首先承认的那样，在其他人工作的基础上，他使那些似乎有效却又充满矛盾的方法和理论得到整合、澄清和综合。
比牛顿早出生约100年的牛顿的同胞培根（Francis Bacon）以及法国哲学家笛卡儿的科学方法是一个很好的范例。1620年培根提出现在所谓的归纳（a posteriori）推理法。和伽利略一样，他相信科学思想必须建立在第一手观察和实验的基础上。再有，关于普遍真理的结论应该基于特定的观察事例而推出。他认为，演绎（a priori）推理法，一种希腊人深深迷恋的“空谈”哲学，已经在相当长的时期内使思想家误入歧途。培根的思想得到了支持，因为这些思想很好地符合英国的宗教状况。英国的宗教看重个人的宗教体验，而不是教条。这些思想也与下一世纪的工业革命相当合拍，这场革命强化了英国日益增长的经济实力。
