Isaac Newton

Isaac Newton

Isaac Newton was de leidende figuur in de wetenschappelijke revolutie van de 17e eeuw. Hij werd geboren op 25 december 1642 in een herenhuis in het dorpje Woolstorpe. Dat ligt vlak bij Grantham in het graafschap Lincolnshire in Engeland.

Newton was een ziekelijk en twistziek iemand die zich in de steek gelaten voelde door zijn ouders. Hij was beslist geen prettig mens om mee om te gaan. Desondanks is Newton wellicht wel het grootste wetenschappelijk genie dat ooit geleefd heeft. Hij heeft zeer wezenlijke bijdragen geleverd op tal van belangrijke gebieden.

Newton behoorde tot een familie van kleine landeigenaren. Zijn vader overleed enkele maanden voor zijn geboorte. Toen Newton drie jaar was hertrouwde zijn moeder en vertrok zij naar een nabijgelegen dorp. De opvoeding van de kleine Isaac werd aan zijn oma van moederskant toevertrouwd.

Na de dood van zijn stiefvader in 1656 haalde zijn moeder hem van het gymnasium in Grantham. Zij wilde hem opleiden de be zittingen van de familie te beheren. Maar toen al ging de interesse van Newton meer uit naar boeken en wiskundige vraagstukken. Zijn familie besloot hem tenslotte een univer sitaire opleiding te laten volgen. In juni 1661 liet hij zich inschrijven in het Trinity College van de universiteit van Cambridge. Alhoewel het onderwijs in Cambridge nog altijd gedomineerd was op de levensbeschouwing van de Griekse filosoof Aristoteles (384-322 v.Chr.), was het studenten in hun derde studiejaar toegestaan enige vrijheid te nemen in de studierichting. In deze fase viel Newtons bijzondere intelligentie nog niet op. Die kwam pas aan het licht toen de universiteit in de zomer van 1665 vanwege een pestepidemie gesloten werd en hij terug moest keren naar zijn geboorte plaats. In de 1« jaar die volgden begonnen zijn revolutionaire ontwikkelingen in wiskunde, optica, natuurkunde en sterren kunde.

Evenals Johannes Kepler (1571-1630) was Newton niet ongevoelig voor het bijgeloof van zijn tijd. Hij had dan ook regelmatig mystieke contacten. In feite kan veel van Newtons intellectuele ontwikkeling worden toegeschreven aan deze spanning tussen het gezonde verstand als enige bron van kennis (rationalisme) en mystiek.

Als 20-jarige jongeman kocht hij in 1663 op de jaarmarkt in Stourbridge een boek over astrologie, te zien wat erin stond tekening die hij niet begreep omdat hij op school geen wis kunde had geleerd. Daarom kocht hij een boek over trigono metrie, maar merkte al snel dat hij niet in staat was de meetkundige redeneringen te volgen. Hij kwam in het bezit van het boek wiskundige Euclides (ca. 300 v. Chr.) en begon te lezen.

Enkele jaren later vond hij, onafhankelijk van de Duitse geleerde Gottfried W. Leibniz (1646-1716) de differentiaal en integraalrekening uit.

Tijdens zijn - door de pestepidemie - noodgedwongen verblijf in zijn geboortedorp Woolsthorp legde hij niet alleen de grondslagen voor differentiaal- en integraalrekenen, maar begon hij ook inzichten te ontwikkelen over de theorie van de universele zwaartekracht en deed hij diepgaande ontdek kingen over de aard van het licht.

Als student was Newton geboeid door het verschijnsel licht en gefascineerd door de zon. Door een gaatje in een van zijn vensterluiken te maken, liet Newton een smalle bundel licht op de witte muur van zijn werkkamer vallen. Toen hij een glazen prisma in de lichtbundel plaatste, maakte de witte plek op de muur plaats voor een heldere regenboog van kleuren.

Het «witte» licht van de zon bleek door het prisma tot alle kleuren van de regenboog uiteengerafeld te worden. Newton noemde de kleurenband op zijn muur spectrum, een woord uit het Latijn dat «(geestes)verschijning» betekent. Ook toonde hij aan dat met een tweede prisma de kleuren van de regenboog weer tot wit licht samengevoegd kunnen worden.

De spreiding van de verschillende kleuren van wit licht bij breking door een prisma noemen we dispersie of kleurschifting.

Newton verklaarde deze dispersie door aan te nemen dat elke kleur zijn eigen brekingsindex heeft. Hij publiceerde zijn onderzoekingen in 1672 onder de titel «New theory of light and colours» (Nieuwe theorie over licht en kleuren) en stuurde het naar de Royal Society, een beroemd Brits ge nootschap van de beste Britse wetenschappers. Zijn publicatie leidde tot een schriftelijke strijd met onder andere Robert Hooke en Christiaan Huygens. Hierdoor werd hem de lust tot verdere publicatie ontnomen. Zijn grote werk «Optics» (Optiek) publiceerde hij daarom pas in 1704, nadat Hooke was overleden. Ook verklaarde Newton de naar hem genoemde inter ferentieringen. Dat zijn gekleurde ringen om de contactplaats tussen twee niet zuiver op elkaar sluitende doorzichtige oppervlakken. Ze ontstaan door interferentie tussen de, op de oppervlakken gedeeltelijk teruggekaatste lichtstralen.

Ook verklaarde hij de dubbele breking en de polarisatie van licht.

In 1667 ging Newton weer terug naar de universiteit van Cambridge om zijn studie af te maken. Isaac Barrow, een staflid van het Trinity College en professor in de wiskunde van de universiteit was zo onder de indruk van de prestaties van Newston dat, toen hij in 1669 ontslag nam om zich aan de theololgie te wijden, hij de aanbeveling deed, de 27 jarige Newton zijn plaats in te laten nemen. Zijn eerste colleges gingen over optica, met name over zijn opmerkelijke ontdekkingen die hij tijdens de pestepidemie had verricht.

De kern van Newton's werk is de idee dat elk voorwerp zich in één rechte lijn en met dezelfde snelheid zal blijven voortbewegen, tenzij er een kracht van buitenaf op werkt.

Als een voorwerp in rust is, komt dat doordat een bepaalde kracht het daartoe dwingt. Zo zorgt de weerstand van de lucht ervoor dat een rollende bal tot stilstand komt. Dit noemen we wrijving. En als iets zich met een hogere of lagere snelheid beweegt, of van richting verandert, komt dat omdat een bepaalde kracht die verandering heeft veroorzaakt.

Newton gebruikte de wiskunde om aan te tonen dat veranderingen in snelheid en richting altijd evenredig zijn met de massa van het voorwerp en de betreffende kracht.

De massa van een voorwerp is een eigenschap die afhankelijk is van zijn afmeting en gewicht. Anders gezegd: de massa van een voorwerp is af te leiden uit de inspanning of de hoe veelheid kracht die nodig is om het in beweging te brengen of, als het voorwerp al beweegt, de snelheid van die beweging te verhogen. Deze bewegingswetten, die nog altijd worden onderwezen als de basis van de natuurkunde, maakten het mogelijk de zwaartekracht te verklaren. Newton beweerde dat elk lichaam of voorwerp een ander lichaam of voorwerp aantrekt met een kracht die de zwaartekracht wordt genoemd.

Een lichaam met een zeer grote massa zal een merkbare zwaartekracht uitoefenen op een lichaam met een veel kleinere massa. Op die manier trekt de aarde een appel naar haar oppervlak. De appel trekt de aarde ook aan. Maar omdat de appel zo'n kleine massa heeft in vergelijking met de aarde, trekt hij de aarde slechts met een onwaarneembare zwakke kracht aan. Omdat de appel naar de aarde valt, lijkt het alsof de zwaartekracht eenzijdig is. In feite is de zwaartekracht zo'n geringe kracht, dat ook twee objecten met een gelijke massa elkaar nauwelijks waarneembaar aan trekken. Daarom zullen twee appels met een gelijke massa op een schaal niet naar elkaar toe worden getrokken, ook al trekken ze elkaar wel een beetje aan. En hoe groter de afstand tussen twee voorwerpen is, des te geringer is hun zwaartekracht.

Newton realiseerde zich, dat als andere grote objecten, zoals de zon, de maan en de planeten, de aarde schenen te vergezellen, de onderlinge zwaartekracht buitengewoon groot moest zijn. Zelfs over een grote afstand. Als er geen kracht was om hen tegen te houden, zouden al deze hememlichamen zich in de een of andere richting door de ruimte moeten bewegen. Normaal zou deze beweging in een rechte lijn ver lopen, tenzij een hemellichaam zo dichtbij kwam dat hij de andere ging aantrekken. De kracht zou misschien niet groot genoeg zijn om die twee hemellichamen helemaal naar elkaar toe te trekken, maar hij zou beslist sterk genoeg kunnen zijn om de baan van één van hen om te buigen. De kracht zou zelfs het object met de minste massa in een baan rond het grootste object kunnen trekken, als het juiste evenwicht werd gevonden tussen de massa van de objecten, de bewegingsrichting en hun onderlinge afstand.

Newton werkte een wiskundige vergelijking uit om hun verband te kunnen omschrijven en besloot te onderzoeken in hoeverre die op de leden van het zonnestelsel van toepassing is. In zijn berekeningen nam hij ook de onderlinge verstoringen van de planeten mee om te zien of de waargenomen en voorspelde posities in goede overeenstemming waren. Zoals bij al zijn onderzoekingen verwachtte Newton dat zijn theorieën door experimenten of waarnemingen bevestigd konden worden. Hij verwierp veronderstellingen waarvan hij geloofde dat ze niet door experimenten of waarnemingen te kontroleren zouden zijn.

De omloopbanen van de planeten Mars, Jupiter en Saturnus kwamen precies overeen met de waargenomen posities. Later werd ontdekt dat in de baan van Mercurius een kleine af wijking zat. Dit werd onmiddellijk toegeschreven aan de onnauwkeurigheid van de waarnemingen, aangezien de verge lijkingen van Newton alle andere banen zo perfect hadden beschreven.

Newton had aangetoond dat dezelfde kracht die een appel naar de aarde doet vallen, de maan in haar baan houdt, de planeten in een elliptische baan om de zon houdt en ook verantwoordelijk is voor het rondlopen van de door Galileo Galilei ontdekte vier grote manen van Jupiter rondom die reuzenplaneet. Het is een wet van het omgekeerde kwadraat.

De kracht neemt af, evenredig met het kwadraat van de afstand. Als de afstand tussen twee voorwerpen twee keer zo groot wordt, is de onderlinge aantrekkingskracht die ze naar elkaar toe trekt, nog maar een vierde van de oor spronkelijke aantrekkingskracht. Als de afstand tien keer zo groot wordt, is de aantrekkingskracht 10ý = 10 x 10 = 100 keer kleiner.

Het was duidelijk dat de kracht in zekere zin omgekeerd werkte. Daarmee wordt bedoeld afnemend bij toenemende af stand. Dat is de reden waarom een komeet of planeet op grote afstand van de zon langzamer beweegt en sneller als zij de zon nadert. De zwaartekracht is immers des te zwakker naarmate zij zich verder van de zon bevindt.

Alhoewel Newton al in 1666 de grondslag legde voor zijn theorie van de universele zwaartekracht, duurde de publi catie hiervan tot 1687. Toen verscheen zijn beroemde werk beginselen der Natuurkunde). Dit belangrijke werk wordt meestal kortweg PrincipiaHet behandelt waargenomen eigenschappen van lichamen en hun bewegingen. Hieruit kon hij enkele algemene wetten af leiden die gerelateerd waren aan natuurkrachten, algemene wetten die andere natuurverschijnselen konden voorspellen. De «Principia» was verdeeld in drie delen. De eerste twee delen behandelden de algemene principes van bewegingen en krachten.

In het derde deel beschreef Newton de wederzijdse gravitatie krachten tussen de planeten en de zon. Uit deze krachten leidde hij hun bewegingen af. Alle planetaire bewegingen, die empirisch waren beschreven door de drie wetten van Kepler, konden worden afgeleid uit één fundamentele wet, de wet van de universele gravitatie. Deze wet luidt: de kracht tussen twee lichamen is gericht langs hun verbindings lijn en is recht evenredig aan het product van hun massa's en omgekeerd evenredig met het kradraat van hun afstand. In formulevorm ziet deze wet er zo uit:
Hierin is F de kracht waarmee twee massa's m1 en m2 elkaar op een afstand r aantrekken. G is een vaste constante die we de gravitatieconstante noemen.

De sterrenkunde, de oudste wetenschap, en de dynamica werden door deze wet verenigd.

Het was de eerste wiskundige beschrijving van het heelal die overeenstemde met de tot dan toe gedane waarnemingen.

Overigens is het aan Edmund Halley (1656-1742) te danken dat Newton's «Principia» tot stand kwam. Tijdens een bezoek van Halley in 1684 aan Newton, bracht deze het vraagstuk van de planeetbeweging naar voren. Newton vertelde dat hij dit vraagstuk al jaren eerder had opgelost, maar dat hij met zijn berekeningen nog niet helemaal tevreden was. Halley slaagde er toen in Newton te overtuigen van het belang van de publicatie van zijn ideeën voor de wetenschap. Newton liet zich overhalen zijn ideeën op papier te zetten. Toen in 1686 het eerste deel klaar kwam, legde Halley dit voor aan de Royal Society in Londen. Zij hadden echter geen financiële middelen om het uit te geven. Halley nam toen de verantwoordelijkheid voor de publicatie op zich en wist, deels uit eigen zak, de benodigde gelden bijeen te krijgen.

Toen Newton dreigde te stoppen met zijn schrijfwerk van wege een haast kinderlijke ruzie met een collega, was het opnieuw Halley die als een diplomatiek bemiddelaar de ge moederen tot bedaren wist te brengen. Halley verbeterde ook de drukproeven van de «Principia» en schreef voor de in leiding een lofrede in het Latijn. In 1687 zag Halley het boek van de pers rollen.

Newton was geen gemakkelijk mens. Hij werd door zijn bediende beschreven als iemand die nooit aan ontspanning deed, nooit uit ging rijden om een luchtje te scheppen, nooit wandelde, kegelde, of wat dan ook, omdat hij meende dat alle uren die hij niet aan zijn studie besteedde, verloren uren waren.

Hij hield zich daar zo nauw aan, dat hij zelden uit zijn kamer kwam, behalve om les te geven. Maar zijn studenten waren gering in aantal terwijl slechts een enkeling hem begreep. Zodoende stond hij vaak, bij wijze van spreken, tegen de muren te praten.

Newton's studie van de planetenbeweging voerde hem nog verder.

Hij bewees dat ieder symmetrisch bolvormig voorwerp, zoals een planeet, zich gedraagt alsof alle massa is geconcentreerd in het middelpunt. Verder merkte hij op dat de draaiing van de aarde een uitstulping moest veroorzaken om de evenaar.

Hij zag in dat de aantrekkingskracht van de zon op die equa toriale uitstulping de precessie veroorzaakte, de langzame verschuiving van de draaiingsas van de aarde. Verder merkte hij op dat de gecombineerde aantrekkingskracht van zon en maan regelmatige schommelingen moest veroorzaken in de stand van de aardas, iets wat we nutatie noemen. Ook verklaarde hij de getijden uit deze combinatie.

Newton ging uit van een heelal waarin niets in rust is. Alle hemellichamen moeten voortdurend in beweging zijn, waarbij de zwaartekracht hun baan bepaalde als ze onder invloed van elkaars zwaartekrachtvelden kwamen. En als alles altijd even rusteloos was, waar en hoe kon dan de rand van het heelal worden bepaald? Er was geen logische voorwaarde voor een begrenzing van het heelal. Het zou zowel in ruimte als tijd onbegrensd moeten zijn. Maar de wetenschap kon niet verklaren waarom het heelal bestond. Evenmin konden wetenschappers een cruciale vraag beantwoorden die was opgeroepen door Newton's beeld van het oneindig heelal onder invloed van de zwaarte kracht, namelijk: als elk voorwerp zwaartekracht uitoefende op elk ander voorwerp, hoe kon het dan dat alle sterren zolang hun eigen plaats hadden behouden? In een oneindig en eeuwig heelal zou alles tenslotte door de zwaartekracht in een grote samenklontering moeten eindigen. En dat leek niet te kloppen met het heelal zoals dat sinds duizenden jaren regelmatig was waargenomen. Niettemin gaven de wiskundige wetten van Newton van beweging en zwaartekracht zo'n mooie verklaring voor die waarnemingen dat zijn model van een oneindig, eeuwig heelal al gauw net zo algemeen werd aanvaard als daarvoor het model van Claudius Ptolemaeus. Maar in tegenstelling tot Ptolemaeus' model met de aarde als middel punt, zou het model van Newton slechts tweehonderd jaar zijn geldigheid behouden.

Newton ontwikkelde in 1671 ook een verbeterde versie van de spiegeltelescoop. Dit stelde hem in staat met een kortere buis een scherper beeld te krijgen. Het beeld dat op een parabolische spiegel valt, wordt teruggekaatst en nabij het brandpunt van die spiegel met behulp van een hulp spiegeltje buiten de kijkerbuis gebracht. Zijn telescoop werd het basismodel voor de gigantische telescopen die tegenwoordig gebruikt worden.

Met de publicatie van de «Principia» was Newton algemeen erkend als de leidinggevende natuurfilosoof van de 17e eeuw.

Maar zijn creatieve carriïre was over zijn hoogtepunt heen.

Na een zenuwinzinking gehad te hebben verruilde hij in 1693 het wetenschappelijk onderzoek voor een overheids functie in Londen. In 1696 werd hij opzichter van de konink lijke munt en in 1699 directeur ervan, een buitengewoon voor delige positie. Hij hield toezicht op de grote Engelse geldvoorziening van de laatste jaren van de 17e eeuw en was genadeloos tegenover valsemunters.

In 1703 werd Newton voorgedragen als president van de Royal Society. Tot zijn dood in 1727 zou hij deze functie blijven bekleden. In 1708 werd hij door koningin Anne geridderd.

Vlak voor zijn dood in 1727 schreef Newton: «Ik weet niet welk beeld de wereld van mij zal hebben, maar in mijn eigen ogen ben ik alleen een jongetje geweest dat speelt op het strand en nu en dan het plezier heeft dat hij een nóg gladder steentje of een nóg mooiere schelp ontdekt, ter wijl de grote oceaan der waarheid nog onontdekt voor hem ligt.» Johannes Kepler en Isaac Newton vertegenwoordigen een belangrijk keerpunt in de menselijke geschiedenis. De ontdekking dat tamelijk eenvoudige natuurwetten de gehele natuur beheersen, dat dezelfde regels gelden op zowel de aarde als aan de hemel en dat de manier waarop de wereld is opgebouwd haar weerklank vindt in onze denktrant. Zij hadden een onwrikbare eerbied voor de nauwkeurigheid van gegevens, verkregen uit waarnemingen. Hun met grote nauw keurigheid gedane voorspellingen betreffende de planeet bewegingen, leverden het klemmende bewijs dat de mens in staat is inzicht te krijgen in de kosmos en wel met onverwachte diepgang. Onze hedendaagse beschaving, onze kijk op de wereld en onze huidige verkenning van het universum zijn intens veel verschuldigd aan hun inzichten.

Sir Isaac Newton overleed op 31 maart 1727 in Londen. Hij is 84 jaar geworden.