Newton: wetenschapper en alchemist

Op latere leeftijd vertelde Newton graag het verhaal van de vallende appel die hem op het spoor had gezet van de wet van de zwaartekracht. De scène is verbeeld op dit 19de-eeuwse schilderij van Robert Hannah.

Dit artikel verscheen in National Geographic Historia editie 4, 2019.

Op 20 maart 1727 van de juliaanse kalender, die in die tijd in Engeland werd gehanteerd, op 31 maart van de Gregoriaanse kalender, stierf Sir Isaac Newton. Enkele dagen daarna werd hij begraven in Westminster Abbey, in aanwezigheid van vrijwel de gehele Britse intelligentsia en een groot deel van de adel. Hiermee werd de laatste eer betoond aan een man van de wetenschap: een wiskundige en natuurfilosoof. Newton was de eerste wetenschap- per in de geschiedenis van Groot-Brittannië die door de vorstin was geridderd. Tot aan zijn dood was hij voorzitter van de Royal Society, en zijn invloed reikte tot in alle hoeken van de Britse cultuur. Voltaire, die speciaal voor de begrafenis uit Frankrijk was overgekomen, was verbaasd dat de Britse samenleving eer betoonde aan een geleerde.

Toen Isaac Newton stierf, was hij in de tachtig en genoot hij grote faam om zijn buitengewone kennis op het gebied van de wis- en rekenkunde, de mechanica van de hemellichamen en de eigenschappen van het licht. Zijn tijdgenoten hadden zo veel bewondering voor hem dat ze zich uitputten in loftuitingen. Op zijn praalgraf in Westminster Abbey is te lezen dat hij gezegend was met een bijna goddelijke geesteskracht. Nog stelliger was het grafschrift dat de dichter Alexander Pope schreef: ‘De Natuur en haar wetten lagen verscholen in de nacht. God sprak: ‘Er zij Newton’, en alles werd licht.’

De jonge Isaac Newton werd opgeleid aan Trinity College van de University of Cambridge. Hij zou er nog vele jaren blijven, als professor in de wiskunde. Hier is de grote binnenplaats van dit college afgebeeld.

Een gekwetst jongetje

De man die stierf als een van de grootste geleerden ter wereld, had geen gelukkige kindertijd. Zijn vader stierf nog vóór zijn geboorte en op zijn derde, liet zijn moeder hem achter bij zijn grootmoeder om zelf te trouwen met een anglicaanse geestelijke. Toen hij elf was, werd zijn moeder opnieuw weduwe en keerde ze naar hem terug. Het is niet verwonderlijk dat de jonge Isaac opgroeide als een verlegen en in zichzelf gekeerd kind. Op zijn twaalfde ging hij naar de plaatselijke school, waar hij naar het schijnt het liefst met de meisjes speelde. Hij bouwde machientjes voor ze om mee te spelen, een voorbode voor de ijver die hij later aan de dag zou leggen om complexe instrumenten te bouwen zoals een refractortelescoop.

Newtons gravitatiewet inspireerde zijn vriend Edmond Halley tot het voorspellen van het omlooptraject van de naar hem genoemde komeet.

Tegelijk was het verlegen jochie in staat om het op te nemen tegen een oudere jongen van de school, ‘hem bij de oren te grijpen en hem met zijn gezicht tegen de kerkmuur te slaan’. Ongetwijfeld werd in deze jaren het gereserveerde, enigszins paranoïde, overgevoelige en wraakzuchtige karakter gevormd dat Newton de rest van zijn leven zou kenmerken.

Op zijn 19de ging Newton naar de University of Cambridge, waar hij toetrad tot Trinity College. Tijdens zijn studiejaren verwierf hij een buitengewone competentie op het gebied van de wiskunde van zijn tijd, waarmee hij later een fundamentele bijdrage zou leveren in de vorm van de ontwikkeling van de infinitesimaalrekening. Dat deed hij in dezelfde tijd als de Duitse filosoof Gottfried Leibniz, met wie hij een veelbesproken polemiek zou voeren.

Newton was een leerling van Isaac Barrow, die hij na het voltooien van zijn studie als professor in de wiskunde opvolgde. Van 1669 tot 1696 bekleedde hij de leerstoel van Lucasian Professor of Mathematics. Deze leerstoel is altijd bekleed geweest door invloedrijke wetenschappers, zoals tot voor kort Stephen Hawking.

De vorming van een genie

Newton werd opgeleid in de jaren dat de wetenschappelijke revolutie zich in heel Europa voltrok, met wetenschappers als Huygens, Van Leeuwenhoek, Kepler, Galilei, Descartes, Hooke, en Boyle, wier werken hij nauwgezet bestudeerde. Aanvankelijk was Newton een volgeling van Descartes, net als iedereen die in die tijd geïnteresseerd was in de vernieuwing van de natuurfilosofie en de mechanica. Vooral de mogelijkheden die door de wiskunde van Descartes werden geschapen, waren fascinerend voor de wetenschappers van die generatie. Maar anders dan sommige anderen, liet hij zich niet volledig meeslepen door de filosofie van Descartes, hoe aantrekkelijk ook. Al in de jaren zestig van de 17de eeuw bekritiseerde hij in geschriften het cartesiaanse paradigma van beweging en ontwikkelde hij een alternatieve theorie over de aard van licht en kleur.

Rond 1666 voerde Newton een ingenieus experiment uit om aan te tonen dat het witte licht allesbehalve puur is, maar juist uit alle kleuren van het spectrum bestaat. Hij noemde het een experimentum crucis, of cruciaal experiment, en hij legde het in een van zijn schriften uit met behulp van een diagram: Een straal zonlicht komt binnen door een gat (1) in een donkere kamer. Een lens (2) leidt de straal naar een prisma (3), dat het licht breekt in stralen van vijf verschillende kleuren (in andere experimenten spreekt Newton van zes of zeven kleuren) die op een vlak (4) geprojecteerd worden. Een straal van één kleur gaat door een gat in het vlak en door een tweede prisma (5), en verandert daardoor niet meer van kleur, of de straal nu rood, blauw of violet is. Hiermee is aangetoond dat kleur niet het product is van de lichtbreking.

In 1672 werd Newton lid van de Royal Society, een instituut dat in 1660 in Londen was opgericht en waarin de voornaamste Engelse wetenschappers verenigd waren. Datzelfde jaar stuurde hij zijn verhandeling met de titel Nieuwe theorie over het licht en de kleuren naar de Society. Daarin legt hij de verhouding uit tussen het witte zonlicht en de kleuren van de regenboog. Eerdere denkers, onder wie Huygens, dachten dat licht zich in golven verspreidt; kleuren werden gezien als eigenschappen van de oppervlakken van het materiaal waarop het licht scheen. Newton kwam daarentegen tot de conclusie dat kleuren eigenschappen waren van het licht zelf, en dat wit licht niets anders was dan een combinatie van verschillende gekleurde lichtstralen. Samengevat, het licht was niet het resultaat van trillingen in de ether, maar een substantie met eigenschappen.

Deze ideeën vielen niet in de smaak bij Robert Hooke, een invloedrijk lid van de Royal Society, die veel moeite had gestoken in het verspreiden van de ideeën van Descartes en Huygens. Zijn felle kritiek op Newtons verhandeling was het begin van een vijandschap die decennia zou duren. Newton kon Hooke niet vergeven, en hij verbrak zijn banden met de Royal Society. Hij keerde pas in 1703 officieel terug, ditmaal als voorzitter, nadat de door hem zo gehate Hooke was overleden. Wraakzuchtig en genadeloos wiste Newton direct alle sporen van Hookes werk bij de Royal Society, inclusief zijn portretten. De publicatie in 1704 van zijn in het Engels geschreven boek Opticks, met daarin zijn deeltjesopvatting van licht, was een overwinning op de Engelse cartesianen van zijn tijd.

De universele zwaartekracht

Newton paste met succes wiskunde toe op vraagstukken van de mechanica, in het bijzonder aangaande de beweging van planeten binnen het zonnestelsel. Sinds Copernicus was bekend dat de planeten om de zon draaien. Vanaf dat moment werden er veel waarnemingen gedaan met betrekking tot de hemelmechanica. Toch bleven er talloze fenomenen onverklaard. Een daarvan was de omloopbaan van de planeten rond de zon, of meer algemeen, het vraagstuk van cirkelvormige bewegingen.

Als men een schijf met zeven kleuren van het spectrum laat ronddraaien, ziet het menselijk oog deze als wit. Zo toonde Newton aan dat wit een mengsel is van alle kleuren.

Kepler, wiens werk door niemand in twijfel werd getrokken, had aangetoond dat de planeten rond de zon draaiden in ellipsvormige banen, en niet in cirkelvormige. Maar hoe werden ze door de zon aangetrokken om dit traject te kunnen afleggen?

Descartes had de hypothese geformuleerd dat het gehele universum was gevuld met oneindig veel kleine deeltjes en dat de zon draaikolken van materie genereerde waarin de planeten werden meegesleurd, waardoor ze in elliptische banen bewogen. Maar het leek moeilijk dit intuïtieve beeld aan te tonen met een wiskundige berekening. In Cambridge bedacht Newton een oplossing voor dit probleem: hij stelde zich voor dat er een kracht was die de zon met elk van de planeten verbond en dat deze kracht aan de planeten trok waardoor ze in banen ronddraaiden. In deze bewoordingen was ook dit slechts een beeld, maar anders dan Descartes kwam Newton met een kwantitatieve demonstratie van de werking van deze kracht. Newton stelde zijn beroemde gravitatiewet op: elke puntmassa oefent een kracht uit op elke andere puntmassa. Deze kracht is gericht langs de lijn die beide punten verbindt en is evenredig met het product van de massa’s en is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen beide massa's. Met deze wet als uitgangspunt kon Newton via geometrische berekeningen aantonen dat het resultaat van deze aantrekkingskracht de elliptische baan van de planeten was.

De zoete smaak van succes

Nadat Newton zijn theorie had gepubliceerd, kreeg heel verlicht Groot-Brittannië belangstelling voor zijn werk. De astronoom en reiziger Edmond Halley was in de zomer van 1684 naar Cambridge gegaan om kennis te nemen van Newtons berekeningen, en vanaf toen ontstond er tussen beiden een vriendschappelijke band. In 1686 wist Halley Newton ervan te overtuigen zijn verhandeling over mechanica te publiceren, ook al was Newton zo beducht voor kritiek dat hij zelfs had overwogen zijn werk te vernietigen. Uiteindelijk kwam het traktaat in 1687 uit onder de titel: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ook wel bekend als de Principia. De taal waarin het is geschreven, het Latijn, laat zien tot welk publiek het gericht was: experts in de wiskunde en mechanica, astronomen, filosofen en academici.

De filosoof Voltaire haalt in zijn boek Eléments de la philosophie de Newton de bekende anekdote aan over de appel die de wetenschapper op het idee van de zwaartekracht bracht.

Had de optica Newton een hoop ellende bezorgd, de mechanica maakte dat ruimschoots goed. Zijn uitleg van de zwaartekracht maakte het mogelijk alle natuurkundige fenomenen van het universum te verklaren vanuit een kracht die hij universeel achtte: appels vallen door dezelfde oorzaak als die waardoor de planeten draaien en kometen terugkeren. Er werd wel bezwaar gemaakt tegen het feit dat de theorie uitging van een werking tussen lichamen op afstand, iets wat in strijd leek met het gezond verstand. Newton zelf gaf toe dat de idee van een dergelijke werking op afstand ‘zo’n grote ongerijmdheid is, dat geen mens die in natuurwetenschappelijke aangelegenheden ook maar enige bekwaamheid van denken bezit, er ooit voor zou vallen.’

Hij zei ervan overtuigd te zijn dat de zwaartekracht moest worden veroorzaakt door een handelende instantie, hoewel hij niet kon zeggen welke dat was, en of die instantie materieel of immaterieel was. In feite had Newtons model zo’n succes bij het berekenen en voorspellen van de baan van welk hemellichaam dan ook, van de aarde en de maan tot de kometen, dat filosofische bedenkingen van ondergeschikt belang waren. Zo baseerde Halley zich op Newtons berekeningen en eerdere waarnemingen bij zijn voorspelling dat de komeet die we tegenwoordig Halley noemen en die in 1682 was gezien, in 1758 zou terugkeren – zoals ook daadwerkelijk zou gebeuren.

Op de eerste drie pagina’s van zijn Principia dankt Newton zijn vriend Halley voor diens aandringen op de publicatie van het boek in 1687.

Na de publicatie van de Principia ging het Newton voor de wind. In 1689 werd hij tot lid gekozen van het Engelse parlement (hoewel hij zich niet erg ijverig toonde wat betreft zijn politieke werkzaamheden: het verhaal gaat dat zijn enige bijdrage bestond uit het verzoek aan een bode het raam te sluiten omdat het tochtte). In 1696 verliet hij Cambridge en vestigde hij zich in Londen om de leiding te nemen over de Royal Mint, waar de munten van het koninkrijk werden geslagen.

In 1703 werd Newton gekozen tot voorzitter van de Royal Society, en door zijn grote invloed werd hij steeds meer een publiek persoon. Hij trok aan de touwtjes van wat er in Cambridge en zelfs in Oxford gebeurde, en zijn mechanica werd aan beide universiteiten bestudeerd. Zijn theorieën werden over heel Europa verspreid door publicaties zoals die van de Nederlandse wis- en natuurkundige Willem Jacob ’s Gravesande. Na Newtons dood werd zijn faam in Europa alleen nog maar groter.

Alchemist en theoloog

Newton had een enorme reputatie als vader van de moderne, ‘harde’ wetenschap. Het is daarom niet moeilijk de golf van verbazing te begrijpen die volgde op de ontdekking van een groot aantal manuscripten van zijn hand over ogenschijnlijk weinig wetenschappelijke onderwerpen als alchemie, de kabbala, natuurgodsdienst en Bijbelinterpretatie. Dezelfde man die de infinitesimaalrekening ontwikkelde en de wetten van de mechanica opstelde, wijdde zich met hart en ziel aan het uitvoeren van alchemistische experimenten. Daarbij maakte hij gebruik van mysterieuze substanties die hij sprookjesachtige namen gaf als ‘de groene leeuw’, of namen van planeten als Jupiter en Saturnus.

Isaac Newton had enkele meningsverschillen van wetenschappelijke aard met John Flamsteed, die Astronomer Royal en directeur van het observatorium in Greenwich was.

De econoom John Maynard Keynes verwierf in 1936 een groot deel van de kort daarvoor ontdekte manuscripten. Niemand die deze geschriften kent, kan nog op dezelfde manier naar Newton kijken, betoogde Keynes in een lezing voor de Royal Society.

‘Newton was niet de voorloper van het tijdperk van de rede, hij was de laatste der magiërs, der Bablyloniërs en Soemeriërs, de laatste grote geest die de zichtbare wereld en de wereld van het intellect in ogenschouw nam met dezelfde blik als die waarmee onze intellectuele erfenis tienduizend jaar geleden begon [...].

Waarom ik hem een magiër noem? Omdat hij het universum en alles wat daarin is beschouwde als een raadsel, een geheim dat kan worden ontcijferd door het pure denken toe te passen op bepaalde verschijnselen, bepaalde mystieke aanwijzingen die God over de wereld heeft verspreid als speurtocht voor de filosofen van de esoterische broederschap. Hij geloofde dat deze aanwijzingen deels konden worden gevonden in de verschijnselen van de hemel en de samenstelling van de elementen (en het is hierdoor dat hij ten onrechte is beschouwd als een experimenteel natuurfilosoof).’

‘Stervelingen, wees blij dat een dergelijk iemand, een zo’n groot sieraad van het menselijk geslacht, heeft bestaan,’ zo luidt de tekst op Newtons praalgraf in Westminster Abbey.

Belangstelling voor de alchemie was in de 17de eeuw echter heel gewoon onder wetenschappers die de aard van materie wilden onderzoeken. Zelfs de Ierse filosoof Robert Boyle, die met zijn boek The Sceptical Chymist geldt als een van de grondleggers van de moderne scheikunde, was ervan overtuigd dat hij onedele metalen tot goud kon laten transmuteren.

Niet minder verrassend is de hoeveelheid tijd en energie die Newton stak in zijn studies over religie en theologie. De geniale wiskundige schreef duizenden pagina’s vol over Bijbelprofetieën, de chronologie van de Joodse koninkrijken en het bouwplan van de tempel van Salomo. Hij heeft zich zelfs gewaagd aan een berekening van de wederkomst van Jezus Christus, die hij voorzag voor het jaar 2060. Ook maakte hij een grondige studie van de Bijbel om aan te tonen dat er in de oorspronkelijke tekst niets werd vermeld over de Heilige Drie-eenheid, een christelijk dogma dat hij verwierp. Newton was ervan overtuigd dat alleen God de Vader van goddelijke aard was, maar Jezus Christus en de Heilige Geest niet.

Eigenlijk kan Newtons belangstelling voor theologie niet los worden gezien van zijn wetenschappelijk systeem, waarin hij uitging van het bestaan van een God die de onveranderlijke wetten van de fysieke wereld bepaalde. Daarom moeten we ons niet verbazen over zijn antwoord op de paradox van de sterrenhemel. Toen hem werd gevraagd hoe het mogelijk was dat sterren als materiële lichamen op een vaste plek aan de hemel leken te staan, terwijl alle materiële lichamen elkaar aantrekken, was zijn antwoord zuiver theologisch van aard: ‘God houdt ze als een gigantische Atlas op hun plek.’