Mit Isaac Newton lebte ein wichtiger Wissenschaftler und Philosoph, welcher die Wissenschaft nachhaltig revolutioniert hat und als erstes eine anständige Theorie über eine Grundkraft des Universums aufstellte.

Sir Isaac Newton war ein englischer Wissenschaftler und Philosoph, welcher am 25. Dezember 1642 jul. / 05. Januar 1643 greg. in Woolsthorpe, nahe Grantham in der Grafschaft Lincolnshire in England geboren wurde.

Newtons junge Jahre

Bereits am Vorabend der Geburt soll Isaacs Mutter Hannah Newton die Wehen gespürt haben. Isaac war als Säugling zuerst sehr schwach und hätte prognostiziert, dass er keinen Tag überlebe, was jedoch nie eintritt und sich wohl gebessert haben muss. Sie hat ihr Kind nach ihrem verstorbenen Vater genannt, verstarb drei Monate vor seiner Geburt. Isaac galt als frühreif und begann im frühen Alter bereits viel zu lesen. Er konstruierte seine ersten Gerätschaften, Modelle von Windmühlen und Uhren. In seiner Kindheit erhielt er nur grundlegende Bildung und musste bereits mit 12 Jahren die Schule King’s school, eine sogenannte grammar school in Grantham verlassen und ihrer Mutter am Bauernhof helfen. Er war eines Tages in seiner Schulzeit bei einer Apotheke und ließ sich von der Chemie interessieren. Das lag aber Isaac nicht. In den kommenden Monaten sollen sich Legenden zusammengetragen haben, wie dass Isaac Bücher gelesen haben soll, während er die Schafe hüten sollte, oder dass er verträumt mit Pferdegeschirr den ganzen Weg von Grantham nach Hause gelaufen sein soll, wobei die Pferde ihm entrissen sind. In dieser ungeschickten Weise soll er in diesem Lebensabschnitt öfters in Gedanken versunken sein.

Daraufhin redete seine Mutter mit Newtons Onkel, welcher am gleichen College studiert hatte, wie Newton wenig später sollte (Trinity College) und dem Schuldirektor in Grantham und es wurde entschieden, dass er in Cambridge studieren durfte. Die Idee war, dass Newton Pfarrer werden soll. Daraufhin ging er wieder zur Schule, um sich auf das College vorzubereiten, die Aufnahmeprüfung hat er leicht gelöst. Also schrieb er sich zum Juni 1661 (mit 18, etwas älter als die anderen Studenten) in das Trinity College in Cambridge ein.

Aufstieg als Gelehrter

In den ersten Wochen hatte Newton Schwierigkeiten, sich das Leben am College einzurichten. Mit seinem Zimmergenossen namens John Wickens schloss er bald Freundschaft. Er assistierte ihm sogar bei seiner großen Anzahl an Versuchen und respektierte seine doch öfters auftretende Geistesabwesenheit. Newton kellnerte auch und richtete wohlhabenderen Studenten das Zimmer.

Für den Lehrplan seines dreijährigen Bachelorstudium interessierte er sich nur maximal mäßig, dieser hielt noch an den eigentlich aus der Mode gekommenen Aristotelismus und mglw. Sogar dem geozentrischen Weltbild fest (wie die meisten Universitäten in Europa zu der Zeit), während Newton und viele andere Studenten sich selbst mit den Techniken der neuen Bewegung in der europäischen Gelehrtenwelt befassen, die man heute die wissenschaftliche Revolution nannte. So entdeckte er z.B. Bücher des René Descartes und studierte seine Bücher, in denen er unter anderem beschrieb, dass die Welt vermutlich aus kleinsten unzerteilbaren Teilchen bestehen, welche sich ständig bewegen und dass jedes Naturphänomen ein Resultat aus deren mechanischen Interaktionen ist, was zuerst Pierre Gassendi initiiert hat.

1664 begann er damit seine Notizen, welche er in Quaestiones Quaedam Philosophicae (Bestimmte Philosophische Fragen) zusammenfasste. Der Text unter dem Titel lautete: Amicus Plato amicus Aristoteles magis amica veritas (Plato ist mein Freund, Aristoteles ist mein Freund, aber mein bester Freund ist die Wahrheit). Seine mathematischen Vorlieben um die Mathematik lebte er jedoch zu dieser Zeit fernab von seinen Notizen aus.

Das Studium bestand Newton mit Bravur – absolvierte die Prüfungen und erlangte das Bachelor of Arts, erhielt hierfür aber keine Auszeichnungen, denn er scherte sich nicht sehr groß um den Aristotelismus der Universität. Dass er keine Auszeichnungen bekam, spielte aber kaum eine Rolle, da er weiter studieren durfte und vier Jahre zukünftiges Studium spendiert wurde, mit dem Ziel der Magisterprüfungen.

1665 brach in London die Pest aus und raffte Hunderte in nur einer Woche hin – die moderne Covid19-Pandemie ist vergleichbar, jedoch weltweit. Aus diesem Grund schloss die Universität in Cambridge ihre Institute und ließ die Studenten nach Hause schicken, wo sie über das Gelernte in Ruhe nachdenken sollen und  wenn möglichst zu Hause bleiben sollten. Dem Newton kam es recht, denn er verbrachte seine Zeit seit dem wieder auf dem Bauernhof seiner Eltern und diese geografisch damit verbundene Abgeschiedenheit brachte weniger Ablenkung als an der Universität mit sich. Also widmete er sich nun weiter seinen Gedanken und Experimenten. Die Pest verursachte eine zweijährige Pause.

1665 und 1666

Die nächsten zwei Jahre begannen gleich mit bahnbrechenden Entdeckungen und Erfindungen seinerseits. Er folgte dem Sonnenlicht, welcher ihn auf die Idee für das erste Spiegelteleskop der Welt 1668 brachte:

“Ich beschaffte mir ein dreieckiges Glasprisma, um damit das berühmte Phänomen der Farben zu untersuchen. Dazu verdunkelte ich meine Kammer und bohrte ein kleines Loch in einen Fensterladen, durch das genügend Sonnenstrahlen fielen. Dann stellte ich mein Prisma so auf, dass das Licht auf die gegenüberliegende Wand fiel. Es war zunächst eine angenehme Ablenkung, die lebendigen und intensiven Farben zu betrachten. Ich war überrascht, dass die Strahlen rechteckig abgebildet wurden. Nach den gültigen Gesetzen der Lichtbrechung hatte ich kreisrunde Abbildungen erwartet.”

Isaac Newton

Diese Erkenntnis wiederum münzte er auf das Phänomen um, dass in großen Linsenteleskopen die Ränder unscharf und farbig erschienen. Daraufhin macht er sich Gedanken, wie man dieses Problem lösen konnte, was ihn wiederum auf en Spiegelteleskop geführt hat. Der Spiegel hat die Eigenschaft, dass das Licht nicht sich im Spiegelkörper brechen muss und danach das Licht wieder zurückreflektiert, sondern die Lichtstrahlen im Eintrittswinkel-gleich-Austrittswinkel-Prinzip direkt wieder zurückspiegelt. Zumindest das Licht, welches man auch für die Beobachtung nutzen möchte, die wahnsinnig geringe Lichtmenge, die durch den Spiegel kommt, kommt im Regelfall eh nicht mehr zurück.

Newton sandte dieses Spiegelteleskop 1671 an die (Akademie der Wissenschaften) Royal Society in London, wo man so begeistert von dem Schmuckstück an Einfallsreichtum war, dass die Royal Society Isaac Newton gleich als Mitglied aufgenommen hat.

Doch auch die Theorie zur Schwerkraft von Newton fand seine Anfänge in diesen Jahren. Newton stellte seine ersten Überlegungen an, und fand durch Rechnungen angewandt auf die Himmelskörper des Sonnensystems heraus, dass die Schwerkraftwirkung einer Gleichung entsprechen muss, dessen Stärke mit dem umgekehrten Quadrat pro Abstand abnimmt. Was für ein Abstand genau erforderlich ist, wusste Newton zu dem Zeitpunkt nicht. Vielleicht bis zum Erdmittelpunkt, oder nur bis zur Erdoberfläche, oder irgendwo dazwischen. In der Zukunft würde er darauf zurückkommen.

Die Geschichte hat eine hohe Wahrscheinlichkeit zu stimmen, dass durch einen heruntergefallenen Apfel auf den unter einem Apfelbaum sitzenden Isaac Newton dieser sich gefragt haben soll, warum der Apfel ausgerechnet auf ihn fallen muss und nicht zur Seite oder gar nach oben. Dies sagt er nämlich selbst Jahre später seinem ersten Biografen William Stukeley:

„Nach dem Mittagessen gingen wir bei warmen Wetter in den Garten und tranken im Schatten einiger Apfelbäume Tee. Mitten im Gespräch erzählte er mir, dass die ganze Situation jener glich, als ihm seine Gedanken zur Schwerkraft gekommen waren. Er hatte nachdenklich unter einem Apfelbaum gesessen, als ein Apfel herunterfiel. Warum fällt dieser Apfel immer senkrecht zu Boden, dachte er sich. Warum fällt er nicht zur Seite oder nach oben, sondern nur auf den Erdmittelpunkt zu? Der Grund liegt bestimmt darin, dass die Erde ihn anzieht. Materie muss also eine Anziehungskraft besitzen: Diese Anziehungskraft muss sich im Mittelpunkt der Erde befinden und an keiner ihrer Seiten. Wenn Materie also andere Materie anzieht, muss diese Kraft im Verhältnis zu ihrer Masse stehen. Deshalb zieht der Apfel die Erde an, genauso wie die Erde den Apfel anzieht. Diese Anziehung ist eine Kraft, die wir Schwerkraft nennen und die sich über das gesamte Universum erstreckt.“

Isaac Newtons Biograf “William Stukeley”

Newton beschäftigte sich während der Pestpausierung auch mit der Mechanik, Kraft und Beschleunigung interessierten ihn sehr. Er fragte sich, was für eine Beziehung sie haben und wie sie am Nachthimmel anwendbar wären. Müssten die Planeten nicht alle durch Luftwiderstände abgebremst werden und schließlich in die Sonne einfallen? Dafür entwickelte Newton die Infinitesimalrechnung, um die ständig sich verändernde Bewegung zu berücksichtigen. Mithilfe der nach Newton sogenannten „Fluxionsmethode“ konnte der Eingabewert noch so klein sein. Newton sagt zu den Erkenntnissen aus Woolsthorpe das folgende:

„Zu Beginn des Jahres 1665 fand ich eine Methode, um Reihen anzunähern, und eine Regel, um in diesen Reihen jeden hohen Koeffizienten zu reduzieren. Im Mai des gleichen Jahres stieß ich auf die Tangentenmethode von Gregory und Slusius. Im November entdeckte ich die direkte Methode der Fluxion und im Januar des folgenden Jahres die Farbentheorie. Und im folgenden Mai fand ich Zugang zur umgekehrten Methode der Fluxion. Später im Jahr dachte ich über die Schwerkraft nach, die sich bis zur Mondumlaufbahn erstreckt. Dann fand ich heraus, wie ich die Kraft berechnen muss, mit der eine Kugel auf die Oberfläche einer Sphäre drückt, in der sie kreist. Aus Keplers Gesetz, dass das Quadrat der Umlaufzeiten der Planeten sich proportional zur dritten Potenz der Länge ihrer großen Halbachse verhält, schloss ich, dass die Kräfte, die sie auf ihren Bahnen halten, sich umgekehrt zu den Quadraten der Entfernung ihrer Bahnmittelpunkte verhalten. Dann verglich ich die notwendige Kraft, die den Mond auf seiner Bahn hält, mit der Schwerkraft auf der Erdoberfläche und entdeckte, dass sich beide gut angleichen. Das alles geschah in den Seuchenjahren 1665 und 1666. In dieser Zeit befand ich mich in der Blüte meiner Entdeckungen und war der Mathematik und der Philosophie mehr zugeneigt als zu anderen Zeiten.“

Isaac Newton

Die Jahre nach der Pest

Nach der etwa 18 Monate dauernden Zeit der Schließung des Colleges kehrte er 1667 wieder nach Cambridge zurück. Dort wurde er prompt zu einem Minor Fellow (Stipendiaten) am Trinity College gewählt, wobei Newton noch fast unbekannt zu diesem Zeitpunkt war. In den Jahren nach der Pest interessierte er sich ausschließlich für zwei Themen, die Optik und seinen Erkenntnissen über das Licht und die Mathematik und damit genauer gesagt die Infinitesimalrechnung, die Methode, mit der man Funktionen mit unendlich kleinen Abschnitten (Infinitesimalen) verrechnen kann.

Im Jahre 1669 schrieb er an seinem Traktat „De Analysi per Aequationes Numeri Terminorum Infinitas“ („Über die Analyse durch unendliche Reihen“), welches seinen Fortschritt in der Erforschung der Methoden zur Annäherung von solchen ‚unendlichen Reihen‘ darstellt. Noch im selben Jahr sandte Isaac Barrow, lucasischer Professor für Mathematik am Trinity College, eine Kopie von De Analysi an John Collins. Daraufhin legte Barrow seinen Lehrstuhl nieder und beschäftigte sich weiter mit der Theologie. Isaac Newton folgte ihm und hatte nun seinen ehemaligen Lehrstuhl inne, musste jedoch jährliche Vorlesungsreihen gestalten. Als sein erstes Thema wählte er die Optik und hielt die folgenden drei Jahren, von 1670 bis 1672 seine Vorlesungen, aus welchen der Aufsatz „Of Colours“ entsprang. Dieser Aufsatz wurde 1704 in englischer Sprache veröffentlicht.

Newton war auch an Licht interessiert. Während seiner Studien als die Pest in England grassierte führte er einige Experimente durch, die er nun nutzte, um die zu dieser Zeit oft angenommene mechanische Natur des Lichtes zu unterstreichen. Newton vertrat nicht die Meinung, dass Licht homogen und einfach sei, sondern das Gegenteil heterogen und komplex. Das Phänomen der Farben komme von der heterogenen, also diversen, unterschiedlichen und uneinheitlichen Mischung des Lichtes. Die hauptsächliche Quelle für Newtons Überzeugung, dass Licht auch aus unzerteilbaren, kleinsten Materiepartikel besteht, ist, dass die einzelnen Strahlen unveränderliche Eigenschaften aufweist und dies die Anwesenheit von Materiepartikel seiner Ansicht nach impliziert. Er ging auch davon aus, dass bestimmte einzelne Lichtstrahlen (also Teilchen bestimmter Größen) beim Auftreffen auf die Retina (Netzhaut des Auges) die Empfindung für Farben verursacht.

Als Minor Fellow und Professor zog er sich etwas in seinen „akademischen Elfenbeinturm“ zurück und beschäftigte sich seinen wahren Interessensgebieten, welche zu der Zeit die Mathematik, Theologie, aber auch Alchemie waren. Bereits während der Pest hatte er seine Gravitationstheorie so gut wie fertig ausgearbeitet, jedoch veröffentlichte er seine Theorie für fast zwei Jahrzehnte nicht und nur wenige wussten davon.

Die Schwerkraft oder die Anziehungskraft ist die Kraft, die eine schwere Masse auf eine andere Masse unter dem Einfluss der Gravitation ausübt. Dass alle Objekte zu Boden fallen, wenn sie nicht mit dem Boden festgemacht sind, war logischerweise schon viel länger klar. Newton war jedoch der erste, der erkannte, dass dieses Prinzip im gesamten Universum gültig ist. Die Gravitation lässt die Sonne eine Anziehungskraft ausüben, die die Planeten so dermaßen beeinflusst, dass sie sie auf ihren Bahnen hält. Laut Newton bestand die Möglichkeit, dass also die Kraft, die die Erde am Apfel zieht, dieselbe sein kann, wie die, die die Bewegungen im Sonnensystem maßgeblich bewirkt. Seine Theorie und Berechnungen zögerte er zu veröffentlichen und tat es jedoch erst knapp 20 Jahre nach dem Aufstellen seiner Theorie. Newton wies nach, dass jedes Materieteilchen im Universum eine Anziehungskraft durch die Gravitation auf jedes andere Materieteilchen ausübt. Erst Albert Einstein konnte über 220 Jahre später die Gravitationstheorie grundlegend erneuern. In der praktischen Anwendung bleibt Newtons Theorie jedoch immer noch gut nutzbar.

Die Gravitationstheorie

Im sehr kalten Winter 1683-84 tagte die Royal Society in London regelmäßig. Das Thema Schwerkraft wurde sehr intensiv diskutiert. Die Astronomen der Society waren der Ansicht, dass die Sonne eine Anziehungskraft auf die Planeten ausübte. Der niederländische Astronom und Physiker Christiaan Huygens (1629-1695) hat nun eine Formel zur Berechnung der von ihm so genannten Zentrifugalkraft aufgestellt. Diese Kraft war die nach außen wirkende Kraft, die jedes Objekt erfährt, sobald sie in eine Kreisbewegung eintritt, so wie die Planeten. Die Astronomen erkannten auch, dass diese Formel der Zentrifugalkraft irgendwie einer der Hauptfaktoren sein muss, um eine Formel für die Gravitation zu erhalten. Ein Trio aus den Astronomen Edmond Halley (1656-1742), Christopher Wren (1632-1723) und Robert Hooke (1635-1703) zog sich einmal in dieser Zeit nach einer Sitzung der Royal Society in ein Kaffeehaus zurück und diskutierten über das Problem mit der Schwerkraft und die Frage, wie diese mit dem „System der Welt“, dem Sonnensystem, zusammenhing. Hooke und Wren kannten sich aus ihrer gemeinsamen Zeit in Oxford nach dem Englischen Bürgerkrieg und Halley war erst 26 Jahre alt zu dem Zeitpunkt. Die drei kamen vor Newton zum selben Schluss, dass die Gravitation einer umgekehrten Quadratgleichung folgen müsse. Jedoch musste jeder Ansatz zur Erklärung der Schwerkraft die Beobachtungen aus den Keplerschen Gesetzen plausibel erklären können. Die keplerschen Gesetze galten zu dieser Zeit als etabliert und allgemein anerkannt. Wren und Halley scheiterten beide an einer Findung und Lösung des Problems. Hooke verkündete dagegen, dass er die Lösung gefunden haben soll, er sie aber zurückhalten wolle, bis mehr Wissenschaftler an der Aufgabe gescheitert sind, damit es etwas bringe, die Lösung zu veröffentlichen und um seinen Ruf zu sichern. Wren glaubte ihm nicht und bot jedem Gelehrten ein Buch für 40 Schilling an, der das Problem lösen konnte.
Wochenlang wird nichts passieren und so glaubte Wren und Halley nun, dass Hooke den Beweis für die Gravitation nicht habe.

Die drei Astronomen waren sich nun sicher, dass wahrscheinlich nur eine Person im Königreich dieses Problem lösen könnte. Also müsste einer ihn in Cambridge aufsuchen und mit ihm austauschen. Robert Hooke war jedoch der falsche. Er und Newton standen in keinem guten Verhältnis, besonders weil Hooke 1672 ein Paper über das Licht und Optik von Newton bis auf das Äußerste kritisiert hat und es allgemein so aufgenommen wurde, dass Newton mit der anfänglich konstruktiven Kritik kaum etwas anfangen konnte und höchst ablehnend reagierte. Christopher Wren wäre gerne gegangen, Newton schätze ihn und seine mathematischen Fähigkeiten sehr, war allerdings nach dem Great Fire von September 1666 immer noch stark in den Wiederaufbau einbezogen und konnte kaum Zeit für die Mysterien des Universums erübrigen. Halley blieb übrig. Sein Ruf war noch größtenteils unverbraucht und Newton hörte bislang nur Gutes von Halley, welche sich zuvor noch nie sahen. Er fuhr also im August 1684 nach Cambridge und glücklicherweise empfang Newton ihn recht freundlich. Halley trug die Probleme über die für ihn unbekannte Lösung der Formeln für die Gravitationstheorie vor. Er frug Newton, wie die Form einer Planetenumlaufbahn um die Sonne aussah, wenn die Anziehungskraft sich mit dem umgekehrten Quadrat der Entfernung verhielt. Newton entgegnete spontan-überraschend, dass die Planetenbahnen dann elliptisch aussähen und dass er dies sogar schon berechnet hatte. Leider konnte Newton die Notizen über die Rechnungen von damals nicht mehr finden. Halley war begeistert und etwas entsetzt zu realisieren, dass Newton so wichtige Formeln ausschließlich für sich behielt und deswegen so leicht verloren gehen könne.

Newtons Prinicpia

Halley war sehr begabt darin gewesen, bei diesem Anlass mit Newton umzugehen, Halley war sehr diplomatisch, aber Newton aber auch bemerkenswert kooperativ. Als Halley Cambridge wieder verließ, versprach Newton, seine Formeln inklusive Theorien zu veröffentlichen. Newton hatte sich seit seiner einen Veröffentlichung von einem Optik-Paper 1672 eigentlich beschlossen, nie mehr zu publizieren. Newton gab sich dennoch einen Ruck, da der Augenblick sehr geeignet schien: Auf einer Seite lag Halley vollkommen im Recht, neuere Erkenntnisse über die Schwerkraft wurden dazugewonnen und drittens erlebte er seit einigen Monaten und Jahren keine größeren Erfolge für seine akademische Laufbahn.
Das Werk für die Veröffentlichung zu schreiben, dafür brauchte er ein ganzes Jahr. 1686 wurde es der Royal Society als Manuskript vorgelegt, 1687 endgültig gedruckt. Es trug den Titel „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (die mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie), oder kurz „Principia“. Dessen Inhalte waren unter anderem die drei Bewegungsgesetze, welche revolutionär für die Mechanik und Dynamik waren, die Gravitationstheorie, wobei er für die Beweisführung hierbei seine Berechnungen mit den klassischen Methoden wiederholte (später hat er auch seine Fluxionsmethode eingesetzt, er wollte es den anderen Mathematikern einfacher machen). Zu fast allen Themen in der Physik fanden sich Ausführungen in Newtons Principia, größtenteils bis auf die Energie.

Newtons Bewegungsgesetze sind die folgenden:

• „Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare.“
  „Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung, sofern jener nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird.“
• „Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.“
  „Die Änderung der Bewegung ist der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.“
• „Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.“
  „Die Wirkung ist stets der Gegenwirkung gleich, oder die Wirkungen zweier Körper auf einander sind stets gleich und von entgegengesetzter Richtung.“

Diese sind essentiell für die Mechanik und Dynamik, mithilfe von diesen Gesetzen kann man alle anderen klassischen Bewegungen begründen. Mehr zu Isaac Newton dann im nächsten Teil.

Weblinks:

• https://en.wikisource.org/wiki/The_Mathematical_Principles_of_Natural_Philosophy

Quellen:

• https://de.wikipedia.org/wiki/Philosophiae_Naturalis_Principia_Mathematica
• https://www.biography.com/scientist/isaac-newton
• https://www.britannica.com/biography/Isaac-Newton
• Die Geschichte der Astronomie, Von Kopernikus bis Stephen Hawking, Peter Aughton, (Quercus, 2008; deutsche Version: National Geographic Deutschland, 2009) ISBN-13: 978-3-86690-113-1