Vraag een willekeurige voorbijganger wie de grootste natuurkundige is, en de kans is groot dat het antwoord ‘Einstein’ is. Maar had je dezelfde vraag aan Einstein gesteld, dan had hij vermoedelijk ‘Newton’ gezegd. Zelf zei Newton: ‘Als ik verder heb gekeken dan een ander, dan komt dat alleen omdat ik op de schouders van reuzen kon staan.’ Maar geldt dat niet voor alle wetenschappers? Wetenschap wordt door duizenden verschillende mensen gemaakt.
Kennis moet aan bepaalde voorwaarden voldoen om ‘wetenschap’ te mogen heten. De opvattingen daarover waren niet altijd hetzelfde. Een Middeleeuwer zou niet alleen niets van moderne natuurkunde begrijpen, hij zou het niet eens als wetenschap herkennen. De basisregels voor de moderne wetenschap zijn voor een belangrijk deel ontstaan in de zeventiende eeuw, tijdens de zogenaamde ‘wetenschappelijke revolutie’. Mensen als Galilei, Descartes en Huygens gingen op zoek naar wiskundige natuurwetten, die zonder uitzondering voor de hele natuur moesten gelden. Ze wilden de natuur beschrijven als één groot systeem, waarin alle gebeurtenissen een aanwijsbare, mechanische oorzaak hebben.
Een van de belangrijkste onderwerpen van onderzoek was de beweging van planeten in het zonnestelsel. Copernicus had eerder al gesteld dat de aarde om de zon draaide, maar het was heel moeilijk om dat te bewijzen. Een belangrijke doorbraak was het werk van Galilei, die rond 1609 als eerste astronomische waarnemingen deed met een telescoop (een Nederlandse uitvinding). Galilei ontwikkelde een nieuwe visie op beweging. Daarop baseerde hij zijn valwet. Ongeveer tegelijkertijd toonde Kepler aan dat alle planeten bewegen in ellipsvormige banen en dat er een vaste relatie is tussen de afstand tot de zon en de snelheid van een planeet. Maar het lukte niet om de vondsten van Galilei en Kepler te verenigen in één theorie. Newton kon dat wel.
Isaac Newton (1642-1727) was het grootste deel van zijn leven hoogleraar wiskunde in Cambridge. Hij onderzocht de wereld met alle middelen die een zeventiende-eeuwer ter beschikking stonden: wiskunde, alchemie, theologie en ‘experimentele natuurfilosofie’ (zeg maar natuurkunde). Zijn theologische werk hield hij geheim, want zijn ideeën waren nogal ketters. Ook over alchemie heeft hij nooit gepubliceerd. Toen zijn alchemistische werk in de negentiende eeuw werd herontdekt veroorzaakte het een schok: dat was toch geen fatsoenlijke wetenschap! Maar voor Newton was het een van de vele manieren om de wereld te leren begrijpen.
Newton was diep onder de indruk van het werk van zijn voorgangers, maar Newton zou Newton niet zijn als hij niet dacht dat hij het beter wist. Hij formuleerde ingrijpende nieuwe theorieën over de relatie tussen kracht, massa en beweging (mechanica) en over lichtbreking en kleuren (optica). Ook ontwikkelde hij een nieuwe tak van wiskunde, de differentiaal- en integraalrekening. Daarnaast was hij een uitstekende experimentator. Tijdgenoten kenden hem vooral als uitvinder van de spiegeltelescoop. De grootste hedendaagse telescopen zijn nog steeds spiegeltelescopen. Maar zijn belangrijkste werk is zonder twijfel de theorie van de universele zwaartekracht.
Aan het einde van zijn leven vertelde Newton dat hij zijn theorie bedacht toen hij een appel van een boom zag vallen. Deze anekdote is heel bekend geworden (hij komt zelfs voor in de Da Vinci Code), maar de theorie is veel te ingewikkeld voor één zonnige middag. Newton heeft er jarenlang intensief aan gewerkt. Vaak werd hij zo gegrepen door zijn werk dat hij letterlijk vergat te eten en te slapen. Dat cliché klopt gelukkig dus wel. Hij hield er ook niet van om zijn werk te publiceren (citatiescores moesten nog worden uitgevonden). Dat leidde soms tot heftige controverses over wie een theorie als eerste had bedacht. Deze ruzies waren berucht: Newton kon erg hard en ontactisch zijn.
Dat hij zijn theorie van de zwaartekracht wel publiceerde is te danken aan de astronoom Edmund Halley. Een paar mensen, onder wie Halley, vermoedden dat de ellipsbanen van de planeten konden worden verklaard doordat de zon ze aantrok met een kracht die afnam met het kwadraat van de afstand (op twee keer de afstand is de kracht vier keer zo klein). Het lukte Halley echter niet dit wiskundig te bewijzen. Hij vroeg Newton om hulp. Die gaf hem meer antwoord dan hij ooit had kunnen verwachten.
In 1687 verscheen Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Wiskundige grondslagen van de natuurfilosofie). Daarin verklaarde Newton niet alleen de wetten van Kepler, maar hij beargumenteerde ook dat de kracht die de planeten naar de zon trekt dezelfde is als de aardse zwaartekracht. Volgens Newton was de zwaartekracht universeel: alle materie trekt elkaar aan. De kracht is gerelateerd aan het kwadraat van de afstand en aan de massa. Hoe zwaarder een object, hoe groter zijn aantrekkingskracht. Daarom voelen we de zwaartekracht van de aarde wel en van een appel niet.
Dat de maan niet als een appel op de aarde valt komt door zijn snelheid. Die zorgt ervoor dat hij om de aarde heen blijft draaien. Het is alsof hij de aarde steeds mist. Andersom verklaart de aantrekkingskracht van de maan op het aardse zeewater de getijden. Met een enorme wiskundige krachttoer wist Newton bovendien de baan van kometen te berekenen. Tot dan toe waren kometen altijd onverklaarbare raadsels gebleven. Halley paste de theorie vervolgens toe op de komeet die we sindsdien kennen als de ‘komeet van Halley’.
Wetenschappers houden ervan als iemand met weinig uitgangspunten veel kan verklaren. Newton kon dat. Zijn zwaartekracht was een schoolvoorbeeld van een universele, wiskundige natuurwet. Maar er kwam ook kritiek. Bijvoorbeeld van Christiaan Huygens, op dat moment de bekendste wetenschapper van Europa en misschien wel de enige die zich als wiskundige met Newton kon meten. Zijn bezwaar was dat Newton nergens uitlegde hoe de zwaartekracht werkte. De zwaartekracht werkte op afstand, overal doorheen. Huygens vond dit verdacht veel lijken op de magische krachten waar moderne wetenschappers juist van af wilden. Maar Newton weigerde een verklaring te geven: ‘hypotheses nog fingo’, vrij vertaald: ‘ik speculeer niet’. Intussen bleef hij in stilte overigens wel naar een verklaring zoeken.
De bezwaren van Huygens werden opgelost doordat de regels veranderden. Natuurkunde was definitief een wiskundige wetenschap geworden, waarin speculaties over oorzaken die je niet kunt bewijzen met wantrouwen worden bekeken. Newtons werk werd het ultieme voorbeeld van hoe je wetenschap moet bedrijven.
Newtons werk is inmiddels ruim drie eeuwen oud, maar het is nog steeds belangrijk om het te kennen. Niet alleen vanwege de inhoud van zijn theorieën, maar ook om te begrijpen waarom wetenschappers doen wat ze doen. Newton is één van de reuzen op wiens schouders hedendaagse wetenschappers staan.
Tekst: David Baneke (1979)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zaterdag 16 juni 2007)
