Isaac Newton

Bedeutung und zentrale Leistungen

Sir Isaac Newton (25. Dezember 1642 julianisch / 4. Januar 1643 gregorianisch bis 20. März 1726 julianisch / 31. März 1727 gregorianisch) war ein englischer Universalgelehrter. Er arbeitete an der Universität Cambridge, leitete später die Royal Mint und war Präsident der Royal Society. Wegen seiner Leistungen in Physik und Mathematik gilt er als einer der bedeutendsten Naturwissenschaftler.

Sein wichtigstes Werk ist die Philosophiae Naturalis Principia Mathematica von 1687. Darin formulierte er die drei Bewegungsgesetze und das Gravitationsgesetz. Newton behandelte die Gravitation als eine wesentliche Eigenschaft aller Körper und vereinheitlichte erstmals die mathematische Beschreibung irdischer und himmlischer Bewegungen. Damit legte er die Grundlage der klassischen Mechanik. Seine Mechanik gilt heute als Spezialfall, nachdem die Relativitätstheorie Albert Einsteins ihre Grenzen deutlich machte.

Fast gleichzeitig mit Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelte Newton die Infinitesimalrechnung. Weitere zentrale Leistungen betrafen die Optik, besonders die Zerlegung weißen Lichts in Farben und den Bau eines Spiegelteleskops. Daneben beschäftigte er sich intensiv mit Theologie, Geschichte und Alchemie.

Ausbildung und wissenschaftlicher Weg

Newtons Vater starb drei Monate vor seiner Geburt. Seine Mutter Hannah Ayscough heiratete 1646 erneut; Newton blieb zunächst bei seiner Großmutter in Woolsthorpe. Er besuchte die Kings School in Grantham, zeigte dort zunächst wenig Interesse am Unterricht, beschäftigte sich aber zu Hause mit mechanischen Basteleien. Ein Versuch, ihn mit der Verwaltung des Familienvermögens zu betrauen, scheiterte. Auf Empfehlung seines Onkels William Ayscough kehrte Newton 1660 zur Schule zurück und begann ernsthafter zu lernen.

Am 5. Juni 1661 nahm er am Trinity College in Cambridge ein Studium auf. Als Sizar wurde sein Unterhalt teilweise vom College übernommen; dafür musste er als Diener für andere Studenten arbeiten. Zunächst wollte er Jurist werden. Er studierte jedoch zunehmend Mathematik und Naturphilosophie. Zu seinen Einflüssen gehörten Aristoteles, die Cambridger Platoniker, René Descartes, Pierre Gassendi, Henry More, Thomas Hobbes, Robert Boyle, Galileo Galilei und Johannes Kepler.

Ab Ende 1663 beschäftigte er sich mit Euklid, Descartes’ Geometrie, algebraischen Schriften und John Wallis’ Treatise of Algebra. Am 28. April 1664 wurde er Scholar, im April 1665 erwarb er den Bachelor-Abschluss. Wegen der Großen Pest wurde die Universität im Sommer 1665 geschlossen. Newton kehrte nach Woolsthorpe zurück und arbeitete dort etwa zwei Jahre wissenschaftlich weitgehend isoliert. Nach eigener Aussage entwickelte er 1665/1666 erste weitreichende Ideen zur Fluxionsmethode, zur Theorie des Lichts und zur Gravitation; wie weit diese Ansätze damals bereits ausgearbeitet waren, ist unklar.

Nach der Wiedereröffnung wurde Newton 1667 Fellow des Trinity College. 1669 übernahm er den Lucasischen Lehrstuhl für Mathematik. Von 1670 bis 1672 lehrte er Optik. Kritik an seinen Veröffentlichungen, besonders von Robert Hooke, belastete ihn stark. 1678 erlitt Newton einen Nervenzusammenbruch; nach dem Tod seiner Mutter folgten mehrere Jahre der Isolation. 1679 wandte er sich wieder der Mechanik zu. Sein Brief De motu corporum in gyrum von 1684 enthielt Grundzüge der späteren Principia. 1687 wurde er international anerkannt.

Mechanik, Gravitation und weitere Naturforschung

In den Principia verband Newton die Untersuchungen Galileo Galileis zur Beschleunigung, Johannes Keplers zu den Planetenbewegungen und Descartes’ Überlegungen zur Trägheit. Seine drei Bewegungsgesetze gelten für Bewegungen auf der Erde ebenso wie am Himmel. Er führte die Planetenbewegungen auf die einheitlichen Ursachen Gravitation und Trägheit zurück und zeigte geometrisch, dass die Keplerschen Gesetze aus diesen Grundlagen folgen. Dabei sind nicht nur Ellipsen, sondern sämtliche Kegelschnitte als Bahnen möglich.

Newton beschrieb die Schwerkraft als allgemein wirkende Kraft, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Die Frage, wie eine Fernwirkung ohne vermittelnden Stoff möglich sei, hielt er selbst für problematisch. Seine Mechanik beruhte zugleich auf den Vorstellungen von absolutem Raum, absoluter Zeit und Fernwirkung. Der oft zitierte Satz hypotheses non fingo bedeutet sinngemäß: „In der Experimentalphilosophie gibt es keine Unterstellungen.“ Newton behandelte Kräfte jedoch als Größen, die experimentell und mathematisch-geometrisch erfasst werden können.

Über die Priorität bei der Idee der quadratisch abnehmenden Anziehung stritt er mit Robert Hooke. Hooke hatte 1679 eine entsprechende Vorstellung zur Planetenbewegung geäußert; Newton erklärte, das Konzept selbst bereits 1665/1666 entwickelt zu haben. Die universelle Wirkung der Gravitation erkannte Newton allerdings erst deutlich nach 1680. Auch die berühmte Apfelgeschichte aus Woolsthorpe ist nicht sicher belegt.

Newton arbeitete außerdem an der Schallgeschwindigkeit in Luft, definierte die Viskosität einer idealen Flüssigkeit und legte damit Grundlagen für die mathematische Beschreibung von Fluiden. 1700 entwickelte er die Newton-Skala zur Temperaturmessung und skizzierte ein Gerät zur Winkelmessung mit Spiegeln, dessen Grundidee später im Sextanten verwirklicht wurde. In der Astronomie entwickelte er eine frühe Theorie zur Entstehung der Fixsterne, baute das erste funktionierende Spiegelteleskop und erklärte die Planetenbewegungen durch Gravitation. Sein gemeinsam mit Edmond Halley gegen Flamsteeds Willen herausgegebener Sternkatalog führte zu einem Rechtsstreit, den Flamsteed gewann.

Optik und Lichttheorie

Newton untersuchte besonders die Lichtbrechung und die Farben. Experimente mit einem Lichtspalt und einem Prisma führten ihn zu dem Ergebnis, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben zusammengesetzt ist und durch Glas in diese Farben zerlegt wird. Damit erklärte er auch die Entstehung des Regenbogens. 1666 entdeckte er die nach ihm benannten Newtonschen Ringe.

Newton schloss aus der Dispersion, dass Fernrohre mit Linsen unter Farbfehlern leiden müssten. Deshalb entwickelte er ein Spiegelteleskop und baute 1672 ein Exemplar für die Royal Society. Sein Prototyp war den damaligen Linsenteleskopen jedoch nicht überlegen, weil der Hauptspiegel nicht parabolisiert war und deshalb sphärische Aberration auftrat. Später wurden achromatische Linsenkombinationen aus Gläsern mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften entwickelt.

Newton vertrat die Teilchen- oder Korpuskulartheorie des Lichts: Licht bestehe aus unveränderlichen, atomähnlichen Teilchen, deren unterschiedliche Größen den Farbeindruck verursachten. In seiner Hypothesis of Light von 1675 nahm er zunächst einen materiellen Äther als Medium an, ersetzte ihn aber bald durch okkulte Kräfte, die Lichtteilchen anziehen oder abstoßen sollten. Seine Theorie konnte Interferenz und Doppelbrechung nicht erklären. Im Streit mit Christiaan Huygens’ Wellentheorie setzte sich Newton zunächst durch; nach Experimenten Thomas Youngs um 1800 wurde die Wellentheorie zur herrschenden Lehre. In der modernen Quantenmechanik sind beide theoretischen Konzepte mathematisch verbunden, ohne dass moderne Photonen mit Newtons Korpuskeln gleichzusetzen sind. Newtons wichtigste optische Veröffentlichung ist Opticks von 1704.

Mathematik und mathematische Schriften

Newton war neben Leibniz einer der Begründer der Infinitesimalrechnung. Seine Fluxionsmethode verband die Berechnung von Flächeninhalten mit der Bestimmung von Kurvensteigungen; beide Verfahren sind zueinander invers. Newton entwickelte die Infinitesimalrechnung 1666, veröffentlichte seine Ergebnisse aber erst 1704 in einem Anhang zu Opticks. Leibniz arbeitete ab 1670 an einem ähnlichen Verfahren, das er Differentialrechnung nannte. Daraus entstand ein Prioritätsstreit, der bis zu Newtons Tod andauerte. 1699 wurde Leibniz durch Newtons ehemaligen Freund Nicolas Fatio de Duillier des Ideendiebstahls beschuldigt.

Zu Newtons frühen mathematischen Leistungen gehört eine verallgemeinerte Form des binomischen Lehrsatzes mit unendlichen Reihen. Er zeigte, dass dieser für sämtliche reellen Zahlen gilt, also auch für negative Zahlen und Brüche. Außerdem leistete er wichtige Beiträge zur ebenen algebraischen Geometrie: Er klassifizierte die Kubiken und führte sie durch birationale Transformationen auf eine elliptische Kurve als Normalform zurück. Diese Ergebnisse wurden 1710 veröffentlicht.

Zu den wichtigsten Werken gehören die Principia Mathematica von 1687 mit überarbeiteten Ausgaben von 1713 und 1726, Opticks von 1704 und Arithmetica universalis von 1707. Mehrere mathematische, theologische und historische Schriften erschienen erst nach Newtons Tod, darunter The Method of Fluxions and Infinite Series von 1736.

Theologie, Alchemie, Ämter und Nachwirkung

Newton lehnte die Trinitätslehre ab und vertrat eine antitrinitarische beziehungsweise unitarische Auffassung. Er hielt Athanasius vor, die christliche Lehre verdorben zu haben. Diese Position war für einen Fellow und Professor in Cambridge riskant; 1675 erhielt Newton einen Dispens von der Pflicht, geistliche Weihen zu empfangen. Seine theologischen Schriften, darunter Observations Upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John, erschienen größtenteils postum. In seiner Vorstellung waren Raum und Zeit das „Sensorium Gottes“. In The Chronology of Ancient Kingdoms Amended von 1728 versuchte er, klassische Chronologie und astronomische Daten zu verbinden, und kam zu dem Ergebnis, dass die Welt 534 Jahre jünger sei als nach James Ussher.

Newton beschäftigte sich sein Leben lang mit Alchemie und suchte bis etwa 1696 unter anderem nach dem Stein der Weisen. Er hielt die Umwandlung unedler Metalle in Gold grundsätzlich für möglich und entwickelte auf Grundlage von Robert Boyles Spekulationen mechanistische Theorien der Transmutation. Seine umfangreichen alchemistischen Studien zeigen, dass wissenschaftliche, theologische und hermetische Vorstellungen in seinem Denken nebeneinander bestanden. John Maynard Keynes bezeichnete ihn deshalb als den letzten großen „Renaissance-Magier“.

1696 wurde Newton Wardein der Royal Mint, 1699 deren Master. Er verfolgte Falschmünzer mit großer Härte. 1701 gab er seine Professur in Cambridge auf. Nach Hookes Tod wurde er 1703 Präsident der Royal Society, und 1705 erhob ihn Königin Anne zum Ritter. Newton war außerdem zweimal Abgeordneter im englischen Parlament. 1720 verlor er bei der Südsee-Spekulation 20.000 Pfund, blieb aber wohlhabend. Er starb nach zunehmenden Beschwerden durch Blasensteine und wurde acht Tage später in Westminster Abbey beigesetzt.

Sein Nachlass gelangte teilweise an die Cambridge University Library, die Royal Society, das Trinity College, die Bodleian Library und weitere Einrichtungen. Viele theologische und alchemistische Manuskripte wurden verstreut; einen großen Teil der alchemistischen Handschriften erwarb Keynes 1936 für das King’s College in Cambridge. Nach Newton sind unter anderem die Einheit Newton, die newtonschen Axiome, das Newtonverfahren, das newtonsche Fluid, die Newton-Cotes-Formeln, der Asteroid (662) Newtonia, der Asteroid (8000) Isaac Newton sowie Krater auf Mars und Mond benannt. Seine theologischen Papiere wurden 2015, seine wissenschaftlichen und mathematischen Papiere 2017 in das Weltdokumentenerbe der UNESCO aufgenommen. Das Newton Project und weitere Editionsprojekte machen unveröffentlichte theologische, optische, mathematische und alchemistische Schriften zugänglich.