1643年1月4日，艾薩克·牛頓出生於英格蘭林肯郡鄉下的一個小村落伍爾索普村的伍爾索普莊園。在牛頓出生之時，英格蘭並沒有采用教皇的最新歷法，因此他的生日被記載為1642年的聖誕節。牛頓出生前三個月，他同樣名為艾薩克的父親才剛去世。

由於早產的緣故，新生的牛頓十分瘦小；據傳聞，他的母親漢娜·艾斯庫曾說過，牛頓剛出生時小得可以把他裝進一誇脫的馬克杯中。當牛頓3歲時，他的母親改嫁並住進了新丈夫巴納巴斯·史密斯牧師的家，而把牛頓托付給了他的外祖母瑪傑裏·艾斯庫。年幼的牛頓不喜歡他的繼父，並因母親改嫁的事而對母親持有一些敵意，牛頓甚至曾經寫下：“威脅我的繼父與生母，要把他們連同房子一齊燒掉。”

1648年，牛頓被送去讀書。少年時的牛頓並不是神童，他成績一般，但他喜歡讀書，喜歡看一些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物，並從中受到啟發，自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風車、木鐘、折疊式提燈等等。

傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後，自己制造了一架磨坊的模型，他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上，然後在輪子的前面放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷地跑動，於是輪子不停地轉動；又一次他放風箏時，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現；他還制造了一個小水鐘。每天早晨，小水鐘會自動滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家裏墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷，用以驗看日影的移動。

1654年，牛頓進了離家有十幾公裏九龍的金格斯皇家中學讀書。牛頓的母親原希望他成為一個農民，但牛頓本人卻無意於此，而酷愛讀書。隨著年歲的增大，牛頓越發愛好讀書，喜歡沈思，做科學小實驗。他在金格斯皇家中學讀書時，曾經寄宿在一位藥劑師家裏，使他受到了化學試驗的熏陶。

牛頓在中學時代學習成績很出眾，愛好讀書，對自然現象有好奇心，例如顏色、日影四季的移動，尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記，又喜歡別出心裁地做些小工具、小技巧、小發明、小試驗。

當時英國社會滲透基督教新思想，牛頓家裏有兩位都以神父為職業的親戚，這可能是牛頓晚年的宗教生活所受的影響。僅從這些平凡的環境和活動中，還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。

後來迫於生活困難，母親讓牛頓停學在家務農，贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷，以至經常忘了幹活。每次，母親叫他同傭人一道上市場，熟悉做交易的生意經時，他便懇求傭人一個人上街，自己則躲在樹叢後看書。有一次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮去，發現他的外甥牛頓伸著腿，躺在草地上，正在聚精會神地鉆研一個數學問題。

牛頓的好學精神感動了舅父，於是舅父勸服了母親讓牛頓覆學，並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校，如饑似渴地汲取著書本上的營養。

牛頓在鄉村學校開始學校教育的生活，後來被送到了格蘭瑟姆的國王中學，並成為了該校最出色的學生。在國王中學時，他寄宿在當地的藥劑師威廉·克拉克家中，並在19歲前往劍橋大學求學前，與藥劑師的繼女安妮·斯托勒訂婚。之後因為牛頓專註於他的研究而使得愛情冷卻，斯托勒小姐嫁給了別人。據說牛頓對這次的戀情保有一段美好的回憶，但此後便再也沒有其他的羅曼史，牛頓也終生未娶。”

斯蒂克利在牛頓死後曾訪問過文森特夫人，也就是當年牛頓的戀人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫作凱瑟琳，而不是安妮，安妮是她的妹妹，而且夫人僅表示牛頓當年寄宿時對她只不過是“懷有情愫”的程度而已。

從12歲左右到17歲，牛頓都在金格斯皇家中學學習，在該校圖書館的窗臺上還可以看見他當年的簽名。他曾從學校退學，並在1659年10月回到埃爾斯索普村，因為他再度守寡的母親想讓牛頓當一名農夫。牛頓雖然順從了母親的意思，但據牛頓的同儕後來的敘述，耕作工作讓牛頓相當不快樂。所幸金格斯皇家中學的校長亨利·斯托克斯說服了牛頓的母親，牛頓又被送回了學校以完成他的學業。他在18歲時完成了中學的學業，並得到了一份完美的畢業報告。

1661年6月3日，他進入了劍橋大學的三一學院。在那時，該學院的教學基於亞裏士多德的學說，但牛頓更喜歡閱讀一些笛卡爾等現代哲學家以及伽利略、哥白尼和開普勒等天文學家更先進的思想。1665年，他發現了廣義二項式定理，並開始發展一套新的數學理論，也就是後來為世人所熟知的微積分學。在1665年，牛頓獲得了學位，而大學為了預防倫敦大瘟疫而關閉了。在此後兩年裏，牛頓在家中繼續研究微積分學、光學和萬有引力定律。

1669年，被授予盧卡斯數學教授席位。1689年，他當選為國會議員。牛頓在1689年到1690年和1701年是皇家科學院的成員，在1703年成為皇家學會會長，並任職24年之久，在歷任會長中僅次於約瑟夫·班克斯，同時也是法國科學院的會員。

1696年，牛頓通過了當時的財政大臣查爾斯·孟塔古的提攜遷到了倫敦作皇家鑄幣廠的監管，一直到去世。他主持了英國最大的貨幣重鑄工作，此職位一般都是閑職，但牛頓卻非常認真的對待。身為皇家鑄幣廠的主管官員，牛頓估計大約有20%的硬幣是偽造的。為那些惡名昭著的罪犯定罪是非常困難的；不過事實證明牛頓做得很好。牛頓為此當上了太平紳士。

1705年，牛頓被安妮女王封為爵士。牛頓在1670年代寫了很多處理聖經的文字解釋的宗教小冊子。亨利·摩爾的宇宙信仰和拒絕笛卡兒二元論影響了牛頓的宗教觀念。在他發給約翰·洛克的一個從未發表的手稿中，他爭議了三位一體的存在性。與世長辭

1727年3月31日（格蘭歷），偉大的艾薩克·牛頓逝世，與很多傑出的英國人一樣被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著：讓人們歡呼這樣一位多麽偉大的人類榮耀曾經在世界上存在。當西元1727年牛頓以85歲的高齡過世時，英國人將他葬於西敏寺。西敏寺的前身是一個修道院，1579年，英國女王伊麗莎白一世將西敏寺改為學院，校長由英國君主任命。西敏寺的正式名稱因此改為“威斯敏斯特聖彼得學院教堂”，其後三個世紀，西敏寺成為牛津與劍橋之後的第三所英國高等學府。

瓦特17歲的時候，母親去世了，而父親的生意開始走下坡路。瓦特到倫敦的一家儀表修理廠作了一年的徒工，然後回到蘇格蘭格拉斯哥打算開一家自己的修理店。盡管當時蘇格蘭還沒有類似的修理店，但是由於他沒有做夠要求的7年徒工，他的開店申請還是被格拉斯哥的錘業者行會拒絕了。1755年瓦特離開蘇格蘭，到倫敦尋求儀器制造匠的培訓。他被康西爾的約翰·摩根所接納。

1757年，格拉斯哥大學的教授提供給瓦特一個機會，讓他在大學裏開設了一間小修理店，這幫助瓦特走出了困境。其中的一位教授，物理學家與化學家約瑟夫·布萊克更是成了瓦特的朋友與導師。1757年格拉斯哥大學任命瓦特為其正式“數學儀器制造師”，並在校園裏安排了一個車間。

瓦特的小店開業5年後，在朋友羅賓遜教授的引導下，瓦特開始了對蒸汽機的實驗。直到此時，瓦特也還從未親眼見過一臺可以運轉的蒸汽機，但是他開始建造自己的蒸汽機模型。初步的實驗失敗了，但是他堅持繼續實驗並且閱讀了所有他能找到的有關蒸汽機的材料，獨立地發現了潛熱的重要性（盡管這在好幾年前就被布萊克教授發現了，但瓦特當時並不知情）。

1763年，瓦特得知格拉斯哥大學有一臺紐科門蒸汽機，但是正在倫敦修理，他請求學校取回了這臺蒸汽機並親自進行了修理。修理後這臺蒸汽機勉強可以工作，但是效率很低。經過大量實驗，瓦特發現效率低的原因是由於活塞每推動一次，氣缸裏的蒸汽都要先冷凝，然後再加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在維持氣缸的溫度上面。

1763-1765年瓦特在修理紐科門泵時，設計冷凝器解決效率低的問題，羅巴克把瓦特的發明用於商業上。1765年，瓦特取得了關鍵性的進展，他想到將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續維持在註入的蒸汽的溫度，並在此基礎上很快建造了一個可以連續運轉的模型。

但是要想建造一臺實際的蒸汽機還有很長的路要走。首先是資金，布萊克教授提供了一些幫助，但更多的資助來自於約翰·羅巴克。羅巴克是一位成功的企業家，著名的卡倫鋼鐵廠的擁有者，在羅巴克的讚助下，瓦特開始了新式蒸汽機的試制，並成為新公司的合夥人。

試制中的主要困難還在於活塞與氣缸的加工制造工藝上。當時的工藝水平下鋼鐵工人更像是鐵匠而不是機械師，所以制造的結果很不滿意。此外由於當時的相關專利申請需要國會的認可，大部分的資金都花費在相關程序上。由於資金的短缺，瓦特不得不另找了一份運河測量員的工作，並一幹就是8年。

這之後，羅巴克破產，相關專利都由伯明翰一間鑄造廠老板馬修·博爾頓接手。瓦特與博爾頓從此開始了他們之間長達25年的成功合作。與博爾頓的合作，使得瓦特使得瓦特得到了更好的設備資金以及技術上的支持，特別是在加工制造工藝方面。新型蒸汽機制造的一個主要困難在於活塞與大型氣缸的密合，這個問題最終被約翰·威爾金森解決，他在改進加農炮的制造時提出了一種新的精密鏜孔加工技術，可以用於蒸汽機的制造。

1774年瓦特將自己設計的蒸汽機投入生產。1776年博爾登-瓦特蒸汽機在波羅姆菲爾德煤礦首次向公眾展示其工作狀態。

1776年，終於第一批新型蒸汽機制造成功並應用於實際生產。這批蒸汽機由於還只能提供往覆直線運動而主要應用於抽水泵上。在之後的5年中，瓦特贏得了大量的訂單並忙於奔波於各個礦場之間安裝由這種新型蒸汽機帶動的水泵。在博爾頓的要求下，瓦特開始繼續研究如何將蒸汽機的直線往覆運動轉化為圓周運動，以便使得蒸汽機能為絕大多數機器提供動力。一個顯而易見的解決辦法是通過曲柄傳動，但是該項專利所有人，約翰·斯蒂德要求同時分享瓦特此前的分離冷凝器的專利，這一要求被瓦特堅決地拒絕了。

1781年，瓦特公司的雇員威廉·默多克發明了一種稱為“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動系統，並以瓦特的名義成功申請了專利。這一發明繞開了曲柄專利的限制，極大地擴展了蒸汽機的應用。之後的6年裏，瓦特又對蒸汽機作了一系列改進並取得了一系列專利：發明了雙向氣缸，使得蒸汽能夠從兩端進出從而可以推動活塞雙向運動，而不是以前那樣只能單向推動；使用節氣閥門與離心節速器來控制氣壓與蒸汽機的運轉；發明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況；發明了三連桿組保證氣缸推桿與氣泵的直線運動。由於擔心爆炸的危險以及洩露問題，瓦特的早期蒸汽機都是使用低壓蒸汽，後來才引進了高壓蒸汽。所有這些革新結合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機（聯協式蒸汽機）的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍。

1782年瓦特的雙向式蒸汽機取得專利，同年他發明了一種標準單位：馬力。1782年，韋奇伍德在伊特魯裏亞陶瓷廠大規模采用博爾頓——瓦特鑄造廠生產的聯協式蒸汽機和伯明翰廠生產的動力機床，進行機械化陶瓷生產。

1784年，瓦特對聯協式蒸汽機進行了改進，增加了一種自動調節蒸汽機速率的裝置，使它能適用於各種機械的運動。從此之後，紡織業、采礦業、冶金業、造紙業等工業部門，都先後采用蒸汽機做為動力。1785年以後，瓦特改進的蒸汽機首先在紡織部門投入使用，受到廣泛歡迎。

1794年，瓦特與博爾頓合夥組建了專門制造蒸汽機的公司。在博爾頓的成功經營下，到1824年就生產了1165臺蒸汽機。瓦特與博爾頓都賺到了不少錢。瓦特在半退休之前也有很多其它發明，比如他發明了一種新的利用望遠鏡測距的方法，一種新的透印印刷術，對油燈進行了改進，蒸汽碾壓機以及延續至今的機械圖紙著色法。

1800年瓦特的專利與博爾頓的合作到期，他於同年退休。但他們的合作延續到下一代，馬修·博爾頓與小詹姆斯·瓦特繼續合作，同時吸收了威廉·默多克為合夥人，保證了了公司的持續成功。瓦特退休後曾與他的第二任妻子到法國與德國旅行，並且在威爾士購買了一所住宅。

1819年8月25日，83歲的瓦特於英國斯塔福德郡漢茲沃斯的家中去世。

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