Newton,Sir Isaac (1642-1727), englischer Naturphilosoph, der allgemein als der originellste und einflussreichste Theoretiker in der Geschichte der Wissenschaft gilt. Neben seiner Erfindung der Infinitesimalrechnung und einer neuen Theorie des Lichts und der Farben veränderte Newton die Struktur der physikalischen Wissenschaft mit seinen drei Bewegungsgesetzen und dem Gesetz der universellen Gravitation. Als Schlussstein der wissenschaftlichen Revolution des 17. Jahrhunderts vereinte Newtons Arbeit die Beiträge von Kopernikus, Kepler, Galilei, Descartes und anderen zu einer neuen und kraftvollen Synthese. Drei Jahrhunderte später ist die daraus resultierende Struktur – die klassische Mechanik – immer noch ein vielversprechendes, aber nicht weniger elegantes Denkmal für sein Genie.
Leben & Persönlichkeit – Isaac Newton wurde am Weihnachtstag 1642 (4. Januar 1643, New Style) in Woolsthorpe, einem Weiler in der Nähe von Grantham in Lincolnshire, zu früh geboren. Der posthum geborene Sohn eines Analphabeten (der ebenfalls Isaac hieß) war bei seiner Geburt so klein, dass er „in einen Vierteltopf“ passte. Als er kaum drei Jahre alt war, brachte Newtons Mutter Hanna (Ayscough) ihren Erstgeborenen bei seiner Großmutter unter, um erneut zu heiraten und mit Barnabas Smith, einem wohlhabenden Rektor aus dem nahe gelegenen North Witham, eine zweite Familie zu gründen. Es wurde viel über Newtons posthume Geburt, seine lange Trennung von seiner Mutter und seinen unvergleichlichen Hass auf seinen Stiefvater berichtet. Bis Hanna 1653 nach dem Tod ihres zweiten Mannes nach Woolsthorpe zurückkehrte, blieb Newton die Aufmerksamkeit seiner Mutter versagt, was möglicherweise ein Hinweis auf seinen komplexen Charakter ist. Newtons Kindheit war alles andere als glücklich, und sein ganzes Leben lang stand er am Rande des emotionalen Zusammenbruchs und verfiel gelegentlich in gewalttätige und rachsüchtige Angriffe gegen Freund und Feind gleichermaßen.
Mit der Rückkehr seiner Mutter nach Woolsthorpe im Jahr 1653 wurde Newton von der Schule genommen, um sein Geburtsrecht als Bauer zu erfüllen. Glücklicherweise scheiterte er in diesem Beruf und kehrte an die King’s School in Grantham zurück, um sich auf den Eintritt in das Trinity College in Cambridge vorzubereiten. Aus dieser Zeit sind zahlreiche Anekdoten über Newtons Zerstreutheit als angehender Landwirt und seine mäßigen Leistungen als Student überliefert. Doch der Wendepunkt in Newtons Leben kam im Juni 1661, als er Woolsthorpe verließ und an die Universität Cambridge ging. Hier betrat Newton eine neue Welt, eine, die er schließlich sein Eigen nennen konnte.
Obwohl Cambridge ein herausragendes Zentrum der Gelehrsamkeit war, musste der Geist der wissenschaftlichen Revolution erst noch in den alten und etwas verknöcherten Lehrplan eindringen.
Es ist wenig über Newtons formale Studien als Student bekannt, aber er erhielt wahrscheinlich eine große Dosis Aristoteles sowie andere klassische Autoren. Und allem Anschein nach waren seine akademischen Leistungen unauffällig. Im Jahr 1664 untersuchte Isaac Barrow, Lucasianischer Professor für Mathematik in Cambridge, Newtons Kenntnisse über Euklid und stellte fest, dass sie sehr mangelhaft waren. Heute wissen wir, dass Newton sich während seiner Studienzeit intensiv mit privaten Studien beschäftigte, dass er privat die Werke von René Descartes, Pierre Gassendi, Thomas Hobbes und anderen bedeutenden Persönlichkeiten der wissenschaftlichen Revolution beherrschte. 1664 hatte Newton, wie eine Reihe erhaltener Notizbücher zeigt, begonnen, Descartes‘ Géométrie und andere Formen der Mathematik zu beherrschen, weit vor Euklids Elementen. Barrow, selbst ein begnadeter Mathematiker, hatte Newtons Genie noch nicht erkannt.
Im Jahr 1665 machte Newton seinen Bachelor-Abschluss in Cambridge ohne Auszeichnung.Da die Universität für die nächsten zwei Jahre wegen der Pest geschlossen war, kehrte Newton zur Jahresmitte nach Woolsthorpe zurück. Dort leistete er in den folgenden 18 Monaten eine Reihe von originellen Beiträgen zur Wissenschaft. Später erinnerte er sich: „All dies geschah in den beiden Pestjahren 1665 und 1666, denn in jenen Tagen war ich in der Blüte meines Alters für Erfindungen und beschäftigte mich mehr mit Mathematik und Philosophie als jemals zuvor. In der Mathematik entwickelte Newton seine „Methode der Fluxionen“ (Infinitesimalrechnung), legte die Grundlagen für seine Theorie des Lichts und der Farben und erlangte bedeutende Einsichten in das Problem der Planetenbewegung, Einsichten, die schließlich zur Veröffentlichung seiner Principia (1687) führten.
Im April 1667 kehrte Newton nach Cambridge zurück und wurde entgegen aller Wahrscheinlichkeit zum Minor Fellow am Trinity gewählt. Der Erfolg folgte auf dem Fuße. Im darauffolgenden Jahr wurde er Senior Fellow, nachdem er seinen Master of Arts erworben hatte, und 1669, noch vor seinem 27. Geburtstag, wurde er Nachfolger von Isaac Barrow als Lucasian Professor of Mathematics. Die Aufgaben dieser Ernennung boten Newton die Gelegenheit, die Ergebnisse seiner früheren optischen Forschungen zu ordnen, und 1672, kurz nach seiner Wahl in die Royal Society, legte er seine erste öffentliche Arbeit vor, eine brillante, aber nicht minder umstrittene Studie über die Natur der Farbe.
In der ersten einer Reihe von erbitterten Auseinandersetzungen legte sich Newton mit dem berühmten Kurator der Gesellschaft für Experimente, dem klugen, aber spröden Robert Hooke, an. Die darauf folgende Kontroverse, die bis 1678 andauerte, legte ein Muster für Newtons Verhalten fest. Nach einem anfänglichen Scharmützel zog er sich ruhig zurück. 1675 wagte Newton jedoch eine weitere Arbeit, die erneut einen Blitzschlag auslöste, diesmal mit dem Vorwurf, er habe von Hooke plagiiert. Die Anschuldigungen waren völlig unbegründet. Zweimal verbrannt, zog Newton zurück.
Im Jahr 1678 erlitt Newton einen schweren emotionalen Zusammenbruch, und im folgenden Jahr starb seine Mutter. Newton reagierte daraufhin, indem er den Kontakt zu anderen abbrach und sich ganz der alchemistischen Forschung widmete. Diese Studien, die den Newton-Gelehrten einst peinlich waren, waren keine fehlgeleiteten Träumereien, sondern rigorose Untersuchungen über die verborgenen Kräfte der Natur. Newtons alchemistische Studien eröffneten theoretische Möglichkeiten, die in der mechanischen Philosophie, der Weltanschauung, die sein Frühwerk unterstützte, nicht zu finden waren. Während die mechanische Philosophie alle Phänomene auf die Wirkung von Materie in Bewegung reduzierte, hielt die alchemistische Tradition die Möglichkeit von Anziehung und Abstoßung auf der Partikelebene aufrecht. Newtons spätere Einsichten in die Himmelsmechanik gehen zum Teil auf seine alchemistischen Interessen zurück: Durch die Verbindung von Fernwirkung und Mathematik veränderte Newton die mechanische Philosophie, indem er ihr eine geheimnisvolle, aber nicht weniger messbare Größe hinzufügte, die Gravitationskraft.
Im Jahr 1666, so die Überlieferung, beobachtete Newton in seinem Garten in Woolsthorpe den Fall eines Apfels und erinnerte sich später: „Im selben Jahr begann ich daran zu denken, dass die Schwerkraft bis zur Mondkugel reicht. Newtons Erinnerung war nicht genau. Tatsächlich deutet alles darauf hin, dass das Konzept der universellen Gravitation nicht 1666 in Newtons Kopf entstanden ist, sondern fast 20 Jahre lang in der Entwicklung war. Ironischerweise trug Robert Hooke dazu bei, es zum Leben zu erwecken. Im November 1679 initiierte Hooke einen Briefwechsel, in dem es um die Frage der Planetenbewegung ging. Obwohl Newton die Korrespondenz überstürzt abbrach, lieferten Hookes Briefe eine konzeptionelle Verbindung zwischen der zentralen Anziehungskraft und einer Kraft, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Irgendwann Anfang 1680 scheint Newton im Stillen seine eigenen Schlussfolgerungen gezogen zu haben.
In der Zwischenzeit kämpften Hooke, Edmund Halley und Christopher Wren in den Londoner Kaffeehäusern erfolglos mit dem Problem der Planetenbewegung. Schließlich stattete Halley im August 1684 Newton in Cambridge einen legendären Besuch ab, in der Hoffnung, eine Antwort auf sein Rätsel zu erhalten: Welche Art von Kurve beschreibt ein Planet auf seiner Umlaufbahn um die Sonne, wenn man das Gesetz der inversen quadratischen Anziehung annimmt? Als Halley die Frage stellte, antwortete Newton sofort: „eine Ellipse“. Auf die Frage, woher er wisse, dass es sich um eine Ellipse handele, antwortete Newton, dass er sie bereits berechnet habe. Obwohl Newton privat eines der Rätsel des Universums beantwortet hatte – und er allein besaß die mathematischen Fähigkeiten dazu -, hatte er die Berechnung bezeichnenderweise verlegt. Nach weiterer Diskussion versprach er, Halley unverzüglich eine neue Berechnung zu schicken. In teilweiser Erfüllung seines Versprechens legte Newton sein De Motu von 1684 vor. Aus dieser Saat entstand nach fast zwei Jahren intensiver Arbeit die Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Es ist wohl das wichtigste Buch, das in der Geschichte der Wissenschaft veröffentlicht wurde. Aber wenn die Principia Newtons Geistesprodukt war, so waren Hooke und Halley nichts weniger als Hebammen.
Obwohl die Principia gut aufgenommen wurde, war ihre Zukunft bereits vor ihrem Erscheinen in Zweifel gezogen worden. Auch hier stand Hooke im Mittelpunkt, der diesmal (nicht zu Unrecht) behauptete, seine Briefe von 1679-1680 hätten ihm eine Rolle bei Newtons Entdeckung eingebracht. Aber ohne Erfolg. Newton war so wütend auf Hooke, dass er drohte, Buch III der Principia ganz zu unterdrücken, und schließlich die Wissenschaft als „unverschämt prozesssüchtige Dame“ bezeichnete. Newton beruhigte sich und willigte schließlich in die Veröffentlichung ein. Doch anstatt Hookes Beitrag anzuerkennen, löschte Newton systematisch jede mögliche Erwähnung von Hookes Namen. Newtons Hass auf Hooke war verzehrend. Tatsächlich hielt Newton später die Veröffentlichung seiner Opticks (1704) zurück und zog sich bis zu Hookes Tod im Jahr 1703 praktisch aus der Royal Society zurück.
Nach der Veröffentlichung der Principia engagierte sich Newton stärker in der Öffentlichkeit. 1689 wurde er als Vertreter von Cambridge ins Parlament gewählt, und während seines Aufenthalts in London lernte er John Locke, den berühmten Philosophen, und Nicolas Fatio de Duillier, einen brillanten jungen Mathematiker, kennen, der zu einem engen Freund wurde. Im Jahr 1693 erleidet Newton jedoch ein schweres Nervenleiden, das seinem Zusammenbruch von 1677-1678 nicht unähnlich ist. Die Ursache ist offen für Interpretationen: Überarbeitung, der Stress der Kontroverse, der unerklärliche Verlust der Freundschaft mit Fatio oder vielleicht eine chronische Quecksilbervergiftung, die das Ergebnis von fast drei Jahrzehnten alchemistischer Forschung war. Jeder Faktor kann eine Rolle gespielt haben. Wir wissen nur, dass Locke und Samuel Pepys seltsame und scheinbar geistesgestörte Briefe erhielten, die Anlass zur Sorge über Newtons „Verwirrung im Kopf oder im Geist oder in beiden“ gaben. Was auch immer die Ursache war, kurz nach seiner Genesung suchte Newton eine neue Stelle in London. Mit Hilfe von Charles Montague, einem Stipendiaten des Trinity College und späteren Grafen von Halifax, wurde Newton 1696 zunächst zum Vorsteher und dann zum Meister der Münzanstalt ernannt. Seine neue Position erwies sich als „sehr angemessen“, und er verließ Cambridge ohne Bedauern in Richtung London.
In seinen Londoner Jahren genoss Newton Macht und weltlichen Erfolg. Seine Stellung an der Münzanstalt sicherte ihm einen komfortablen sozialen und wirtschaftlichen Status, und er war ein aktiver und fähiger Verwalter. Nach dem Tod von Hooke im Jahr 1703 wurde Newton zum Präsidenten der Royal Society gewählt und bis zu seinem Tod jährlich wiedergewählt. Im Jahr 1704 veröffentlichte er sein zweites Hauptwerk, die Opticks, die weitgehend auf Arbeiten basierten, die er Jahrzehnte zuvor abgeschlossen hatte. 1705 wurde er zum Ritter geschlagen.
Obwohl seine schöpferischen Jahre vorbei waren, übte Newton weiterhin einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung der Wissenschaft aus. Die Royal Society war in der Tat Newtons Instrument, das er zu seinem persönlichen Vorteil nutzte. Seine Amtszeit als Präsident ist als tyrannisch und autokratisch beschrieben worden, und seine Kontrolle über das Leben und die Karriere seiner jüngeren Schüler war nahezu absolut. Newton konnte weder Widerspruch noch Kontroversen ertragen – seine Auseinandersetzungen mit Hooke sind dafür ein einzigartiges Beispiel. Aber in späteren Auseinandersetzungen, als Präsident der Royal Society, setzte Newton alle ihm zur Verfügung stehenden Kräfte ein. So veröffentlichte er beispielsweise Flamsteeds astronomische Beobachtungen – die Arbeit eines ganzen Lebens – ohne die Erlaubnis des Autors; und in seinem vorrangigen Streit mit Leibniz über die Infinitesimalrechnung setzte Newton jüngere Männer ein, um seinen Krieg der Worte zu führen, während er hinter den Linien heimlich Angriff und Gegenangriff dirigierte.Letztendlich waren die Aktionen der Gesellschaft kaum mehr als eine Erweiterung von Newtons Willen, und bis zu seinem Tod beherrschte er die Landschaft der Wissenschaft ohne Rivalen. Er starb am 20. März 1727 (31. März, New Style) in London.
Mathematik- Der Ursprung von Newtons Interesse an der Mathematik lässt sich auf seine Studienzeit in Cambridge zurückführen. Hier lernte Newton eine Reihe zeitgenössischer Werke kennen, darunter eine Ausgabe von Descartes Géométrie, John Wallis‘ Arithmetica infinitorum und andere Werke prominenter Mathematiker. Doch zwischen 1664 und seiner Rückkehr nach Cambridge nach der Pest leistete Newton grundlegende Beiträge zur analytischen Geometrie, Algebra und Infinitesimalrechnung. Insbesondere entdeckte er das Binomische Theorem, neue Methoden zur Expansion unendlicher Reihen und seine „direkte und inverse Methode der Fluxionen“. Wie der Begriff schon sagt, ist die Fluxionsrechnung eine Methode zur Behandlung sich ändernder oder fließender Größen. Eine „Fluxion“ stellt also die Änderungsrate einer „Fluent“ dar – einer sich kontinuierlich ändernden oder fließenden Größe, wie z. B. Entfernung, Fläche oder Länge. Im Wesentlichen waren Fluxionen die ersten Worte in einer neuen Sprache der Physik.
Newtons schöpferische Jahre in der Mathematik erstreckten sich von 1664 bis etwa zum Frühjahr 1696. Obwohl seine Vorgänger verschiedene Elemente der Infinitesimalrechnung vorweggenommen hatten, verallgemeinerte und integrierte Newton diese Erkenntnisse und entwickelte gleichzeitig neue, strengere Methoden. Die wesentlichen Elemente seines Denkens stellte er in drei Traktaten dar, von denen das erste in einer privat verbreiteten Abhandlung, De analysi (Über die Analysis), erschien, die bis 1711 unveröffentlicht blieb. Im Jahr 1671 entwickelte Newton eine vollständigere Darstellung seiner Methode der Infinitesimale, die neun Jahre nach seinem Tod als Methodusfluxionum et serierum infinitarum (Die Methode der Fluxionen und unendlichen Reihen, 1736) erschien. Zusätzlich zu diesen Werken schrieb Newton vier kleinere Traktate, von denen zwei seinen Opticks von 1704 beigefügt wurden.
Newton und Leibniz. Neben seiner Brillanz war das charakteristischste Merkmal von Newtons mathematischer Karriere die verspätete Veröffentlichung. Newtons Prioritätsstreit mit Leibniz ist ein berühmtes, aber unglückliches Beispiel. Gottfried Wilhelm Leibniz, Newtons fähigster Widersacher, begann 1684 mit der Veröffentlichung von Abhandlungen über die Infinitesimalrechnung, fast 20 Jahre nach Newtons Entdeckungen. Das Ergebnis dieser zeitlichen Diskrepanz war ein erbitterter Streit, der fast zwei Jahrzehnte lang wütete. Die Tortur begann mit Gerüchten, Leibniz habe Ideen von Newton entlehnt und sie überstürzt in den Druck gegeben. Er endete mit dem Vorwurf der Unehrlichkeit und des Plagiats. Der Prioritätsstreit zwischen Newton und Leibniz – der sich schließlich auch auf philosophische Bereiche wie die Natur Gottes und des Universums ausdehnte – drehte sich letztlich um die Zweideutigkeit der Priorität. Heute ist man sich allgemein einig, dass Newton und Leibniz jeweils unabhängig voneinander die Infinitesimalrechnung entwickelt haben und daher als Mitentdecker gelten. Aber während Newton als erster seine Methode der Fluxionen konzipierte und entwickelte, war Leibniz der erste, der seine unabhängigen Ergebnisse veröffentlichte.
Optik.Newtons optische Forschungen begannen, wie seine mathematischen Untersuchungen, während seiner Studienzeit in Cambridge. Doch im Gegensatz zu seinen mathematischen Arbeiten wurden Newtons Studien zur Optik schnell öffentlich. Kurz nach seiner Wahl in die Royal Society im Jahr 1671 veröffentlichte Newton seine erste Arbeit in den Philosophical Transactions of the Royal Society. Diese und weitere Arbeiten, die folgten, stützten sich auf seine Studien und seine Lucas-Vorlesungen in Cambridge.
In den Jahren 1665-1666 führte Newton eine Reihe von Experimenten zur Zusammensetzung des Lichts durch. Zunächst ließ er sich von den Schriften von Kepler und Descartes leiten und entdeckte vor allem, dass das sichtbare (weiße) Licht heterogen ist, d. h. dass weißes Licht aus verschiedenen Farben besteht, die als Primärfarben betrachtet werden können. Mit einer brillanten Reihe von Experimenten wies Newton nach, dass Prismen weißes Licht nicht verändern, sondern trennen. Im Gegensatz zu den Theorien von Aristoteles und anderen alten Menschen vertrat Newton die Auffassung, dass weißes Licht sekundär und heterogen ist, während die einzelnen Farben primär und homogen sind. Von vielleicht ebenso großer Bedeutung war, dass Newton auch nachwies, dass die Farben des Spektrums, die man für Qualitäten hielt, einem beobachteten und quantifizierbaren „Grad der Erkennbarkeit“ entsprechen.“
Das entscheidende Experiment. Newtons berühmtestes Experiment, das experimentum crucis, demonstrierte die Theorie der Zusammensetzung des Lichts. Kurz gesagt, ließ Newton in einem dunklen Raum einen schmalen Strahl Sonnenlicht durch ein kleines Loch in einem Fensterladen durch ein Prisma fallen und brach so das weiße Licht in ein längliches Spektrum auf einer Tafel. Dann ließ Newton durch eine kleine Öffnung in der Platte eine bestimmte Farbe (z. B. Rot) durch eine weitere Öffnung auf ein zweites Prisma fallen, durch das es auf eine zweite Platte gebrochen wurde. Was als gewöhnliches weißes Licht begann, wurde so durch zwei Prismen gestreut.
Newtons „entscheidendes Experiment“ zeigte, dass eine ausgewählte Farbe, die das erste Prisma verließ, durch das zweite Prisma nicht weiter getrennt werden konnte. Der ausgewählte Strahl blieb dieselbe Farbe, und sein Brechungswinkel war durchgehend konstant. Newton schloss daraus, dass weißes Licht ein „heterogenes Gemisch unterschiedlich brechbarer Strahlen“ ist und dass die Farben des Spektrums selbst nicht einzeln verändert werden können, sondern „ursprüngliche und zusammenhängende Eigenschaften“ sind.
Newton führte wahrscheinlich eine Reihe seiner Prismenexperimente in Cambridge durch, bevor ihn die Pest zwang, nach Woolsthorpe zurückzukehren. Seine Lucasianischen Vorlesungen, die später teilweise als Optical Lectures (1728) veröffentlicht wurden, ergänzen andere Forschungen, die in den Transactions der Gesellschaft vom Februar 1672 veröffentlicht wurden.
TheOpticks. TheOpticks von 1704, das zuerst in englischer Sprache erschien, ist Newtons umfassendstes und am leichtesten zugängliches Werk über Licht und Farbe. Nach Newtons Worten bestand der Zweck der Opticks darin, „die Eigenschaften des Lichts nicht durch Hypothesen zu erklären, sondern sie durch Vernunft und Experimente vorzuschlagen und zu beweisen“. Aufgeteilt in drei Bücher, bewegen sich die Opticks von Definitionen, Axiomen, Propositionen und Theoremen bis hin zum Beweis durch Experimente. Mit ihrer subtilen Mischung aus mathematischen Überlegungen und sorgfältiger Beobachtung wurden die Opticks im 18. Jahrhundert zum Vorbild für die Experimentalphysik.
Die Korpuskular-Theorie. Doch die Opticks enthielten mehr als nur experimentelle Ergebnisse. Im 17. Jahrhundert war die Auffassung weit verbreitet, dass das Licht wie der Schall aus einer Wellen- oder Wellenbewegung besteht, und Newtons wichtigste Kritiker auf dem Gebiet der Optik – Robert Hooke und Christiaan Huygens – vertraten diese Theorie mit Nachdruck. Obwohl sich seine Ansichten im Laufe der Zeit weiterentwickelten, war Newtons Lichttheorie im Wesentlichen korpuskular oder partikulär. Da sich das Licht (im Gegensatz zum Schall) in geraden Linien bewegt und einen scharfen Schatten wirft, ging Newton davon aus, dass sich das Licht aus einzelnen Teilchen zusammensetzt, die sich in geraden Linien bewegen, wie Trägheitskörper. Da Experimente gezeigt hatten, dass die Eigenschaften der einzelnen Farben des Lichts konstant und unveränderlich waren, war auch der Stoff, aus dem das Licht bestand, Teilchen.
An verschiedenen Punkten seiner Karriere kombinierte Newton die Teilchen- und Wellentheorien des Lichts. In seinem ersten Disput mit Hooke und erneut in seinen Opticks von 1717 zog Newton die Möglichkeit einer ätherischen Substanz in Betracht – eines alles durchdringenden elastischen Materials, das subtiler als Luft ist – und das ein Medium für die Ausbreitung von Wellen oder Schwingungen darstellen würde. Von Anfang an lehnte Newton die grundlegenden Wellenmodelle von Hooke und Huygens ab, vielleicht weil sie die Feinheiten der Periodizität übersahen.
Die Frage der Periodizität stellte sich bei dem als „Newtons Ringe“ bekannten Phänomen. In Buch II der Opticks beschreibt Newton eine Reihe von Experimenten, die die Farben dünner Filme betrafen. Seine bemerkenswerteste Beobachtung war, dass Licht, das durch eine konvexe Linse fällt, die gegen eine flache Glasplatte gedrückt wird, konzentrische farbige Ringe (Newtonsche Ringe) mit abwechselnden dunklen Ringen erzeugt. Newton versuchte, dieses Phänomen mit Hilfe der Teilchentheorie in Verbindung mit seiner Hypothese der „Passungen von leichter Transmission und Reflexion“ zu erklären. Nach sorgfältigen Messungen stellte Newton fest, dass die Dicke des Luftfilms zwischen der Linse (mit einer bestimmten Krümmung) und dem Glas dem Abstand der Ringe entsprach. Wenn die dunklen Ringe bei Dicken von 0, 2, 4, 6… , dann entsprachen die farbigen Ringe einer ungeraden Zahlenfolge, 1, 3, 5, 7, …. Obwohl Newton nicht über die Ursache dieser Periodizität spekulierte, deutet seine anfängliche Assoziation der „Newtonschen Ringe“ mit Schwingungen in einem Medium auf seine Bereitschaft hin, die Teilchentheorie zu modifizieren, aber nicht aufzugeben.
Das Buch TheOptickswar Newtons meistgelesenes Werk. Nach der ersten Ausgabe erschienen 1706 und 1719 lateinische Versionen, 1717 und 1721 eine zweite und dritte englische Ausgabe. Der vielleicht provokanteste Teil der Opticks ist der als „Queries“ bekannte Abschnitt, den Newton an das Ende des Buches stellte. Hier stellt er Fragen und äußert sich zur Natur des Fluges, der Materie und der Naturkräfte.
Mechanik.Newtons Forschungen auf dem Gebiet der Dynamik lassen sich in drei große Perioden einteilen: die Pestjahre 1664-1666, die Untersuchungen von 1679-1680 im Anschluss an Hookes Korrespondenz und die Zeit von 1684-1687 nach Halleys Besuch in Cambridge. Die allmähliche Entwicklung von Newtons Denken über diese zwei Jahrzehnte hinweg veranschaulicht die Komplexität seiner Leistung sowie den langwierigen Charakter wissenschaftlicher „Entdeckungen“.
Während der Mythos von Newton und dem Apfel vielleicht wahr ist, stimmt die traditionelle Darstellung von Newton und der Schwerkraft nicht. Sicherlich begannen Newtons frühe Überlegungen zur Schwerkraft in Woolsthorpe, aber zum Zeitpunkt seines berühmten „Mondtests“ hatte Newton noch nicht das Konzept der Gravitationsanziehung entwickelt. Frühe Manuskripte deuten darauf hin, dass Newton Mitte der 1660er Jahre nicht an die zentrale Anziehungskraft des Mondes auf die Erde dachte, sondern eher an die zentrifugale Tendenz des Mondes, sich zurückzuziehen. Unter dem Einfluss der mechanischen Philosophie hatte Newton die Möglichkeit einer Fernwirkung noch nicht in Betracht gezogen; auch kannte er die ersten beiden Planetenhypothesen Keplers noch nicht. Aus historischen, philosophischen und mathematischen Gründen nahm Newton an, dass die Zentrifugalkraft des Mondes einem unbekannten mechanischen Zwang gleich und entgegengesetzt sei. Letztere wurde aus Keplers dritter Hypothese (das Quadrat der Umlaufzeit eines Planeten ist proportional zur dritten Potenz seiner mittleren Entfernung von der Sonne), der Formel für die Zentrifugalkraft (die Zentrifugalkraft eines rotierenden Körpers ist proportional zum Quadrat seiner Geschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Radius seiner Umlaufbahn) und der Annahme kreisförmiger Umlaufbahnen abgeleitet.
Der nächste Schritt bestand darin, die umgekehrte quadratische Beziehung anhand empirischer Daten zu überprüfen, indem Newton die Beschränkung des „Bestrebens“ des Mondes, sich zurückzuziehen, mit der beobachteten Beschleunigung fallender Objekte auf der Erde verglich. Das Problem bestand darin, genaue Daten zu erhalten. Geht man von Galileis Schätzung aus, dass der Mond 60 Erdradien von der Erde entfernt ist, so hätte die Hemmung des Mondes 1/3600 (1/602) der Gravitationsbeschleunigung auf der Erde betragen müssen. Newtons Schätzung der Größe der Erde war jedoch zu niedrig, und seine Berechnung ergab, dass die Wirkung auf den Mond etwa 1/4000 derjenigen auf die Erde beträgt. Wie Newton später beschrieb, antwortete der Mondtest „ziemlich genau“. Aber die Zahlen für den Mond waren nicht exakt, und Newton gab das Problem auf.
In der Zeit zwischen 1679 und Anfang 1680 erneuerte ein Briefwechsel mit Hooke Newtons Interesse. Im November 1679, fast 15 Jahre nach dem Mondtest, schrieb Hooke an Newton bezüglich einer Hypothese, die er in seinem Versuch, die Bewegung der Erde zu beweisen (1674), aufgestellt hatte. Darin schlug Hooke vor, dass Planetenorbits aus einer tangentialen Bewegung und einer „anziehenden Bewegung in Richtung des Zentralkörpers“ resultieren. In späteren Briefen spezifizierte Hooke weiter eine zentrale Anziehungskraft, die mit dem Quadrat der Entfernung abnahm. Infolge dieses Briefwechsels verwarf Newton seine frühere Vorstellung von zentrifugalen Tendenzen zugunsten einer zentralen Anziehungskraft. Hookes Briefe lieferten entscheidende Einsichten, doch rückblickend betrachtet, scheint Hookes intuitive Kraft zwar beispiellos zu sein, kam aber weder im Prinzip noch in der Praxis an Newtons mathematische Kraft heran.
Als Halley 1684 Cambridge besuchte, hatte Newton bereits den Zusammenhang zwischen einer inversen quadratischen Anziehungskraft und elliptischen Bahnen nachgewiesen. Zu Halleys „Freude und Erstaunen“ gelang Newton offenbar, woran er und andere gescheitert waren. Damit änderte sich Halleys Rolle, und er leitete Newton bei der Veröffentlichung an. Halley finanzierte die Principia persönlich und begleitete sie durch die Presse bis zur Veröffentlichung im Juli 1687.
DiePrincipia. Newtons Meisterwerk ist in drei Bücher unterteilt. Buch I der Principia beginnt mit acht Definitionen und drei Axiomen, die heute als Newtons Gesetze der Bewegung bekannt sind. Keine Diskussion über Newton wäre ohne sie vollständig: (1) Jeder Körper verharrt in seinem Ruhezustand oder in gleichförmiger Bewegung auf einer geraden Linie, es sei denn, er wird durch auf ihn einwirkende Kräfte gezwungen, diesen Zustand zu ändern (Trägheit). (2) Die Bewegungsänderung ist proportional zu der aufgeprägten Antriebskraft und erfolgt in Richtung der Geraden, in die diese Kraft eingeprägt wird (F= ma). (3) Zu jeder Aktion gibt es immer eine entgegengesetzte und gleichwertige Reaktion.
Newton geht nach diesen Axiomen schrittweise mit Sätzen, Theoremen und Problemen vor.
In Buch II der Principia behandelt Newton die Bewegung von Körpern durch widerstehende Medien sowie die Bewegung von Flüssigkeiten selbst. Da Buch II nicht Teil von Newtons ursprünglichem Entwurf war, erscheint es traditionell etwas deplatziert. Dennoch ist es bemerkenswert, dass Newton gegen Ende von Buch II (Abschnitt IX) nachweist, dass die von Descartes zur Erklärung der Planetenbewegung herangezogenen Wirbel nicht selbsterhaltend sein können; auch war die Wirbeltheorie nicht mit Keplers drei Planetenregeln vereinbar. Der Zweck von Buch II wird dann klar. Nachdem er Descartes‘ System diskreditiert hat, kommt Newton zu dem Schluss: ‚Wie sich diese Bewegungen im freien Raum ohne Wirbel vollziehen, kann aus dem ersten Buch verstanden werden; und ich werde es nun im folgenden Buch ausführlicher behandeln.‘
In Buch III, das den Untertitel System der Welt trägt, weitet Newton seine drei Bewegungsgesetze auf den Rahmen der Welt aus und zeigt schließlich, ‚dass es eine Kraft der Schwerkraft gibt, die zu allen Körpern tendiert, proportional zu den verschiedenen Mengen an Materie, die sie enthalten.‘ Das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation besagt, dass F = G Mm/R2 ist, d. h., dass sich alle Materie mit einer Kraft (F) anzieht, die proportional zum Produkt ihrer Massen (Mm) und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung (R2) zwischen ihnen ist. G ist eine Konstante, deren Wert von den für Masse und Abstand verwendeten Einheiten abhängt. Um die Kraft seiner Theorie zu demonstrieren, nutzte Newton die Anziehungskraft der Gravitation, um die Bewegung der Planeten und ihrer Monde, die Präzession der Tagundnachtgleichen, die Wirkung der Gezeiten und die Bewegung der Kometen zu erklären. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Newtons Universum Himmel und Erde mit einem einzigen Satz von Gesetzen vereinte. Es wurde zur physikalischen und intellektuellen Grundlage der modernen Weltanschauung.
Die Principia, die wohl mächtigste und einflussreichste wissenschaftliche Abhandlung, die je veröffentlicht wurde, erschien zu Newtons Lebzeiten in zwei weiteren Ausgaben, 1713 und 1726.
Weitere Forschungen. Während seiner gesamten Laufbahn forschte Newton in Theologie und Geschichte mit der gleichen Leidenschaft, mit der er auch die Chemie und die Naturwissenschaften betrieb. Obwohl einige Historiker Newtons nicht-wissenschaftliche Schriften vernachlässigt haben, gibt es kaum Zweifel an seiner Hingabe zu diesen Themen, wie seine Manuskripte reichlich belegen. Allein Newtons Schriften zu theologischen und biblischen Themen umfassen etwa 1,3 Millionen Wörter, was dem Umfang von 20 Büchern heutiger Standardlänge entspricht. Obwohl diese Schriften wenig über die Newtonsche Wissenschaft aussagen, verraten sie uns viel über Isaac Newton.
Newtons letzte Geste vor seinem Tod war die Verweigerung des Sakraments, eine Entscheidung, die im 18. Jahrhundert von einiger Tragweite war. Obwohl Newton pflichtbewusst in der protestantischen Tradition aufgewachsen war, waren seine reifen theologischen Ansichten weder protestantisch noch traditionell oder orthodox. In der Abgeschiedenheit seiner Gedanken und Schriften lehnte Newton eine Vielzahl von Lehren ab, die er für mystisch, irrational oder abergläubisch hielt. Mit einem Wort, er war Unitarier.
Newtons Forschungen außerhalb der Wissenschaft – in Theologie, Prophetie und Geschichte – waren auf Kohärenz und Einheit bedacht. Sein Bestreben war es, Wissen und Glauben zu vereinen und das Buch der Natur mit dem Buch der Schrift in Einklang zu bringen. Doch trotz der Eleganz seines Denkens und der Kühnheit seiner Suche blieb das Rätsel von Isaac Newton bestehen. Letztendlich ist Newton für uns ein ebenso großes Rätsel wie er es zweifellos für sich selbst war.
RobertA. Hatch
Universityof Florida