Isaac Newton

Isaac Newton war ein englischer Mathematiker, Physiker und Astronom – in der Sprache seiner Zeit ein „Naturphilosoph“. Am bekanntesten ist er für sein Buch Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie), gewöhnlich Principia genannt, das 1687 erstmals erschien. Darin formulierte er die Bewegungsgesetze und das Gesetz der universellen Gravitation, die zusammen die Bewegungen von Objekten auf der Erde und der Planeten, des Mondes und der Kometen am Himmel erklärten.

Newton machte auch grundlegende Entdeckungen in der Optik: Er zeigte, dass Sonnenlicht eine Mischung von Farben ist, und baute das erste praxistaugliche Spiegelteleskop. In der Mathematik entwickelte er die Infinitesimalrechnung, die Mathematik der Veränderung, etwa zur gleichen Zeit wie der deutsche Philosoph Gottfried Wilhelm Leibniz, was zu einem der erbittertsten Streitfälle der Wissenschaftsgeschichte führte.

Die Stanford Encyclopedia of Philosophy teilt sein Leben in vier Abschnitte: seine Jugend vor Cambridge; seine Jahre in Cambridge bis zu den Principia; etwa ein Jahrzehnt des Ruhms und wachsender Unruhe; und drei Jahrzehnte in London, wo er die Royal Mint leitete. Fast alle seine großen Entdeckungen machte er in den Cambridge-Jahren.

Newton wurde auf Woolsthorpe Manor, nahe Grantham in Lincolnshire, am ersten Weihnachtstag 1642 nach dem damals in England gebräuchlichen Kalender geboren (4. Januar 1643 im heutigen Kalender), weniger als ein Jahr nach Galileis Tod. Sein Vater, ein Bauer, war zwei Monate zuvor gestorben. Als Isaac drei Jahre alt war, heiratete seine Mutter Hannah erneut und zog fort, wobei sie ihn bei seinen Großeltern zurückließ. Sie kehrte 1653 nach dem Tod ihres zweiten Mannes mit drei weiteren Kindern zurück.

Er besuchte die Schule in Grantham und wurde 1659 nach Hause geholt, um den Hof zu bewirtschaften, was ihm schlecht gelang. Sein Onkel und sein Schulmeister überzeugten seine Mutter, ihn stattdessen auf die Universität zu schicken, und 1661 trat er in das Trinity College in Cambridge ein, älter als die meisten seiner Mitschüler. Zunächst finanzierte er sich durch Dienerpflichten, bis er 1664 ein Stipendium gewann.

Dies waren die turbulentesten Jahre der englischen Geschichte: Der Bürgerkrieg begann 1642, König Karl I. wurde 1649 hingerichtet, Oliver Cromwell regierte als Lordprotektor, und 1660 – im selben Jahr, in dem die Royal Society of London gegründet wurde – wurde die Monarchie unter Karl II. wiederhergestellt. Wie stark diese Unruhen Newtons Familie betrafen, ist unklar, doch sie veränderten das englische Geistesleben tiefgreifend.

In Cambridge beruhte der offizielle Lehrplan noch auf Aristoteles, doch bereits 1664 las Newton auf eigene Faust die Werke von René Descartes und brachte sich die neueste Mathematik selbst bei. Vom Sommer 1665 bis zum Frühjahr 1667 war die Universität wegen der Pest geschlossen, und Newton verbrachte fast diese gesamte Zeit in Woolsthorpe. Diese Periode wird oft sein annus mirabilis, sein „wunderbares Jahr“, genannt.

In diesen Monaten machte er seine ersten experimentellen Entdeckungen über Licht und Farbe, arbeitete die Mathematik der Kreisbewegung aus und bemerkte eine Verbindung zwischen einer nach dem inversen Quadrat abnehmenden Kraft und Keplers Regel, die die Umlaufzeiten der Planeten mit ihrer Entfernung zur Sonne verknüpft. Bis Ende 1666 war er, so die Stanford Encyclopedia, faktisch zum führenden Mathematiker der Welt geworden, nachdem er die Infinitesimalrechnung entdeckt hatte, die er die Methode der „Fluxionen“ nannte.

Der berühmte Apfel gehört zu dieser Zeit. Im hohen Alter erzählte Newton seinem Freund William Stukeley, der Gedanke an die Schwerkraft sei ihm gekommen, „veranlasst durch den Fall eines Apfels“, als er in einem Garten saß und sich fragte, warum er stets geradewegs zum Erdmittelpunkt fällt. Der Ehemann seiner Nichte, John Conduitt, gab einen ähnlichen Bericht. Manche Gelehrte bezweifeln Einzelheiten der Geschichte, doch sie stammt von Newton selbst; es gibt keinen Beleg dafür, dass der Apfel ihn am Kopf traf.

Vor Newton glaubten viele, ein Glasprisma füge weißem Licht irgendwie Farben hinzu. Newton ließ einen schmalen Sonnenstrahl in einem abgedunkelten Raum durch ein Prisma fallen und stellte fest, dass das Farbband – das er Spektrum nannte – lang und schmal war, nicht rund. Er schloss daraus, dass weißes Licht eine Mischung aus Strahlen ist, die unterschiedlich stark gebrochen werden. Mit einer Linse und einem zweiten Prisma konnte er die Farben wieder zu weißem Licht vereinen, und eine einzelne Farbe, die durch ein weiteres Prisma fiel, veränderte sich nicht.

Das brachte ihn auf den Gedanken, dass die Linsen gewöhnlicher Teleskope Bilder stets mit farbigen Rändern unscharf machen würden. Um dieses Problem zu vermeiden, baute er ein Teleskop, das Licht mit einem gekrümmten Spiegel statt mit einer Linse sammelte. Sein erstes Spiegelteleskop war Ende 1668 fertig; 1671 bat die Royal Society um eine Vorführung, und 1672 wurde er zum Fellow gewählt.

1672 wurde sein Aufsatz über Licht und Farben vor der Royal Society verlesen und in deren Philosophical Transactions gedruckt. Er löste jahrelange Streitigkeiten mit Kritikern aus, darunter Robert Hooke und Christiaan Huygens, die Newton so sehr störten, dass er sich aus der öffentlichen Debatte zurückzog. Seine vollständige Darstellung, Opticks, erschien erst 1704, nachdem Hooke gestorben war, auf Englisch verfasst; spätere Auflagen fügten berühmte „Queries“ über die Natur von Licht und Materie hinzu.

1669 wurde Newton Lucasischer Professor für Mathematik in Cambridge. Einige Jahre lang zeigte er wenig Interesse an den Umlaufbahnen der Planeten, bis ihn Ende 1679 ein Brief von Hooke fragte, welcher Kurve ein Körper unter einer Kraft folgen würde, die mit dem Quadrat der Entfernung schwächer wird. Im August 1684 besuchte der Astronom Edmond Halley Cambridge und stellte dieselbe Frage. Newton antwortete sofort: eine Ellipse. Er konnte seine Berechnung nicht finden, schickte Halley aber im November eine neunseitige Abhandlung, De motu corporum in gyrum (Über die Bewegung von Körpern auf einer Umlaufbahn).

Von Halley ermutigt, verbrachte Newton die nächsten zweieinhalb Jahre damit, diese zehn Lehrsätze zu den Principia auszubauen, einem lateinischen Werk von etwa 500 Seiten mit 192 abgeleiteten Lehrsätzen. Die Royal Society hatte ihr Buchbudget bereits ausgeschöpft, sodass Halley den Druck selbst bezahlte. Etwa 300 Exemplare erschienen im Juli 1687. Buch 1 behandelt Bewegung ohne Widerstand; Buch 2 befasst sich mit der Bewegung durch widerstehende Flüssigkeiten und argumentiert gegen Descartes' Theorie, wonach die Planeten von Materiewirbeln (Vortices) mitgeführt werden; Buch 3, „Über das System der Welt“, wendet die Theorie auf das Sonnensystem an.

Das Buch beginnt mit Definitionen und drei Bewegungsgesetzen: Ein Körper verharrt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig, sofern keine Kraft auf ihn einwirkt; die Änderung der Bewegung ist der Kraft proportional; und jede Aktion hat eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion. Aus diesen und dem Gesetz, dass jeder Körper jeden anderen mit einer Kraft anzieht, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, leitete Newton Keplers Gesetze der Planetenbewegung ab und erklärte die Bahnen von Kometen, die Gezeiten, die leichte Abplattung der Erde und das langsame Taumeln ihrer Achse. Hier gab es ein einziges Regelwerk für Himmel und Erde.

Newton überarbeitete die Principia sorgfältig für eine zweite Auflage 1713, herausgegeben von Roger Cotes, und eine dritte 1726. Die zweite Auflage fügte das General Scholium hinzu, in dem er erklärte, er habe die Ursache der Schwerkraft noch nicht gefunden, und dass „hypotheses non fingo“ – „ich erdenke keine Hypothesen“.

Die Principia machten Newton berühmt. Nach der Glorreichen Revolution saß er 1689–1690 für die Universität Cambridge im Parlament und wurde Freund des Philosophen John Locke. 1693 erlitt er, wie er es selbst beschrieb, einen Zusammenbruch, von dem er sich im selben Herbst erholte. Zunehmend unglücklich in Cambridge, nahm er 1696 die Stelle als Warden der Royal Mint an und zog nach London; Ende 1699 wurde er Master der Münze und behielt dieses Amt für den Rest seines Lebens.

An der Münze nahm Newton seine Arbeit sehr ernst. Während der Großen Neuprägung schätzte er, dass ein Fünftel der eingereichten Münzen gefälscht war. Er ermittelte selbst gegen Münzfälscher und klagte sie an – insgesamt 28, darunter den berüchtigten William Chaloner, der gehängt wurde –, und verbesserte die Genauigkeit der Münzen. Seine Goldbewertung half, Großbritannien in Richtung eines Goldstandards zu bewegen. Er verlor auch eine erhebliche Summe in der Südsee-Blase von 1720.

1703 wurde er zum Präsidenten der Royal Society gewählt, und 1705 schlug ihn Königin Anne zum Ritter. Sein Amt übte er mit Nachdruck aus. Er und Halley veröffentlichten die Beobachtungen des Königlichen Astronomen John Flamsteed gegen dessen Willen, was ihn zu einem lebenslangen Feind machte. Newton starb am 20. März 1727 (julianischer Kalender) im Alter von 84 Jahren in London und wurde nach der Aufbahrung im Kirchenschiff der Westminster Abbey beigesetzt.

Newton hatte seine Methode der Fluxionen 1665–1666 entwickelt und bis 1671 ausführlichere Abhandlungen verfasst, veröffentlichte sie jedoch nicht; niemand wollte seinen langen Bericht drucken. Mitte der 1670er Jahre tauschte er unter anderem mit Leibniz Briefe über Mathematik aus, sodass seine Fortschritte kein Geheimnis waren. Leibniz begann 1674, seine eigene Infinitesimalrechnung zu entwickeln, und veröffentlichte 1684 seine erste Arbeit dazu, mit der differentiellen Notation, die bis heute Standard ist. Newton stellte in den Principia (1687) eine geometrische Form der Infinitesimalrechnung vor, doch seine Fluxionsnotation erschien erst 1693 teilweise und 1704 vollständiger im Druck, in Abhandlungen, die dem Opticks angehängt waren.

Die Spannung schlug 1710 in offenen Konflikt um, als der schottische Mathematiker John Keill Leibniz in den Philosophical Transactions des Plagiats beschuldigte. Leibniz, selbst Fellow der Royal Society, wandte sich an die Gesellschaft um Gerechtigkeit. Der Ausschussbericht von 1712, den Newton weitgehend kontrollierte, stellte sich auf Newtons Seite, und 1715 veröffentlichte Newton eine anonyme Besprechung dieses Berichts, in der er sich selbst lobte. Historiker sind sich heute einig, dass die beiden Männer die Infinitesimalrechnung unabhängig voneinander erfanden.

Der Streit hatte anhaltende Folgen. Er vertiefte eine Kluft zwischen englischen Mathematikern um die Royal Society und der kontinentalen Gruppe, die mit Leibniz' Rechnung arbeitete, allen voran Johann Bernoulli – eine Spaltung in der mathematischen Praxis, die noch lange nach Leibniz' Tod 1716 andauerte. Sie machte auch kontinentale Denker, die Newtons Schwerkraft, die ohne jeden Mechanismus über Entfernung wirkte, ohnehin unbehaglich fanden, seiner Physik gegenüber eine Zeit lang feindseliger.

Newton schrieb weit mehr über Alchemie und Religion als über Physik. 1669 kaufte er chemisches Gerät und alchemistische Bücher und führte Jahrzehnte lang Experimente in dem durch, was Historiker „Chymistrie“ nennen – die im 17. Jahrhundert übliche Mischung aus Alchemie und Chemie. In den frühen 1690er Jahren verfasste er eine bedeutende alchemistische Abhandlung, Praxis, veröffentlichte sie jedoch nie.

Seine religiösen Studien waren intensiv und für seine Zeit gefährlich. Er kam dazu, die Trinitätslehre abzulehnen, eine zentrale Glaubensauffassung der Church of England; Gelehrte beschreiben ihn als anti-trinitarisch und möglicherweise nahe der antiken arianischen Position. Er hielt diese Ansichten weitgehend geheim; laut der Stanford Encyclopedia scheint die Frage der mit seiner Cambridge-Professur verbundenen religiösen Gelübde ihn überhaupt erst zum Studium der Trinität veranlasst zu haben. Er studierte auch biblische Prophezeiungen, rekonstruierte Salomos Tempel aus dem biblischen Text und versuchte, alte Geschichte mithilfe der Astronomie zu datieren; einige dieser Werke wurden erst nach seinem Tod veröffentlicht, etwa The Chronology of Ancient Kingdoms Amended (1728) und Observations upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John (1733).

Diese Papiere blieben zwei Jahrhunderte lang weitgehend unbekannt. Nachdem sie über Newtons Nichte Catherine Barton und ihren Ehemann John Conduitt weitergegeben worden waren, gingen sie an die Earls of Portsmouth. Die Universität Cambridge behielt ab 1888 die wissenschaftlichen Papiere, der Rest wurde 1936 bei Sotheby's versteigert. Der Ökonom John Maynard Keynes kaufte einen großen Teil der alchemistischen Manuskripte auf und schenkte sie 1946 Cambridge. Die ernsthafte Erforschung dieser Papiere begann erst in den 1970er Jahren.

Die Stanford Encyclopedia argumentiert, dass der Kern von Newtons Leistung eine neue Art ist, Theorie mit Belegen zu verbinden. Er misstraute der „Methode der Hypothesen“ – eine kühne Erklärung vorzuschlagen und dann einige ihrer Folgen zu überprüfen. Stattdessen bestand er darauf, dass konkrete Phänomene jedes Element einer Theorie bestimmen sollten, sodass der einzige vorläufige Schritt die Verallgemeinerung von diesen Phänomenen ausgehend war. Seine vierte Regel des Schließens, die der dritten Auflage der Principia hinzugefügt wurde, besagt, dass aus Phänomenen durch Induktion gewonnene Sätze als genau oder sehr nahezu wahr gelten sollten, bis andere Phänomene sie präziser machen oder Ausnahmen zeigen.

Diese Haltung erlaubte es Newton, Fragen offenzulassen. Er behauptete nicht zu wissen, was die Schwerkraft verursacht, oder ob Licht aus Teilchen oder Wellen besteht, obwohl er Teilchen für wahrscheinlicher hielt. Kritiker wie Leibniz und Huygens beklagten, eine Kraft, die ohne Berührung durch den leeren Raum wirkt, sei eine „okkulte“ Eigenschaft. Newton entgegnete, die Belege zeigten, dass eine solche Kraft existiert und einem genauen mathematischen Gesetz folgt, und das genüge der Wissenschaft, auch ohne ihre Ursache zu kennen. Historiker argumentieren, dass sein Werk auf diese Weise half, die empirische Wissenschaft von der spekulativen Naturphilosophie zu trennen.

Optik und Mechanik brachten zwei verschiedene newtonsche Traditionen hervor: aus dem Opticks eine Tradition des sorgfältigen Experiments, aus den Principia eine der mathematischen Theorie. Beide teilten Newtons Überzeugung, dass Erfahrung nicht nur der Richter über Theorien, sondern auch die Grundlage sein sollte, sie überhaupt anzunehmen.

Es dauerte Jahrzehnte, bis Newtons Theorie allgemeine Anerkennung fand. Die Stanford Encyclopedia beschreibt die 1740er Jahre als Wendepunkt: Französische Expeditionen nach Lappland und Peru bestätigten, dass die Erde an den Polen abgeplattet ist, wie Newton vorhergesagt hatte, und Mathematiker wie Clairaut, d'Alembert und Euler lösten Probleme, die er offengelassen hatte. Clairauts erfolgreiche Vorhersage der Rückkehr des Halleyschen Kometen 1759 überzeugte einen Großteil der gebildeten Öffentlichkeit. Vieles von dem, was wir „newtonsche Mechanik“ nennen, einschließlich der bekannten Gleichung F = ma, die in den Principia nirgends vorkommt, wurde tatsächlich im 18. Jahrhundert von Euler formuliert, und Laplaces große Himmelsmechanik (1799–1805) vollendete das Programm.

Newton wurde zu einem Symbol der Aufklärung. Schriftsteller wie Voltaire popularisierten in Frankreich ein „newtonsches“ Weltbild, und Philosophen von Locke und Berkeley an fragten, was die Wissenschaft der Principia so erfolgreich machte. Hume und Adam Smith hofften auf eine vergleichbare Wissenschaft menschlicher Angelegenheiten, und diese Frage trug zur Entstehung der Wissenschaftsphilosophie bei, beginnend mit Kant. Historiker warnen jedoch, dass viele „Newtonianer“ des 18. Jahrhunderts wenig von den schwierigen Principia selbst gelesen hatten und dass die Newton von Popularisierern zugeschriebenen Ideen sich oft stark von dem unterscheiden, was er tatsächlich schrieb. Im 20. Jahrhundert zeigte Einsteins Relativitätstheorie, dass Newtons Theorie nur als eine äußerst gute Näherung gilt.

Newton als Person zu deuten ist schwierig. Es besteht ein scharfer Gegensatz zwischen dem öffentlichen Newton der veröffentlichten Werke und dem privaten Newton der alchemistischen und theologischen Manuskripte, die erst nach 1936 allgemein bekannt wurden. Wir wissen überraschend wenig darüber, was ihn antrieb, und Biografen, wie ein Gelehrter anmerkt, verraten uns oft ebenso viel über sich selbst wie über Newton. Sein berühmter Satz aus einem Brief an Hooke von 1675 – „Wenn ich weiter gesehen habe, so deshalb, weil ich auf den Schultern von Riesen stand“ – wird selbst diskutiert: Manche Historiker lesen ihn als Bescheidenheit, andere als versteckte Beleidigung Hookes, der Berichten zufolge klein von Statur war, und die Redewendung war schon lange vor Newton ein bekanntes Sprichwort.