Het wonderjaar van Isaac Newton

Vanwege een uitbraak van de pest bracht Isaac Newton 1666 in afzondering door. In zijn isolement ontwikkelde hij revolutionaire ideeën over de werking van het licht en de beweging van de materie. En alsof dat nog niet genoeg was, vernieuwde hij ook de wiskunde.

Cambridge, de jaren zestig van de zeventiende eeuw. Isaac Newton is een jonge student en krijgt colleges over het werk van Aristoteles, dat universitaire geleerden al eeuwenlang herkauwen. Maar hij heeft andere interesses en zoekt zijn eigen weg. Op een zomerdag, bijvoorbeeld, staart hij met zijn rechteroog naar een reflectie van de zon in een spiegel. Het licht is fel en als hij na een tijd zijn blik verlegt naar een donkere hoek van de kamer, ziet hij een helder ‘nabeeld’. Alsof hij nog steeds naar de zon kijkt.

Een voorzichtig mens zou het hierbij laten, maar Newton herhaalt de tests totdat het nabeeld permanent voor zijn oog lijkt te hangen. Steeds als hij naar de donkere hoek kijkt, of juist naar een wolk of een ander helder object, ziet hij felle vlekken. Lezen of schrijven gaat niet meer en Newton moet zich een paar dagen opsluiten in een donkere kamer om zijn ogen rust te geven. De ergste zonneschade lijkt daarna hersteld, maar de vlekken blijven nog maandenlang opspelen als hij probeert zich te concentreren.

Newtons proefondervindelijke onderzoek is opmerkelijk, en niet alleen vanwege de grote kans op blijvende blindheid. Want doorsnee-academici houden zich in Newtons jonge jaren niet bezig met experimenten. Zij lezen Aristoteles, Plato en andere antieke filosofen, in de verwachting daar de waarheid te vinden. En Newton zou dat ook moeten doen, vinden de hooggeleerden.

Maar dan dient zich een ramp aan, die een groot geluk zal blijken voor de natuurwetenschap. In Engeland speelt de builenpest op en daarom sluiten bestuurders in Cambridge de colleges. Newton vertrekt naar het huis van zijn moeder in Woolsthorpe-by-Colsterworth, een gehucht in Lincolnshire. Daar brengt hij in alle rust de laatste maanden van 1665 door, en vrijwel het hele jaar 1666.

Zonder afleidende colleges over oude Grieken of andere verplichtingen heeft hij alle tijd om te peinzen over de werking van het licht, over de wetten van beweging en over de wiskundige taal om dat alles in te beschrijven. De 23-jarige student zet grote denkstappen vooruit – zo groot dat 1666 achteraf zijn ‘wonderjaar’ zal worden genoemd. In dat jaar legt hij de basis voor een radicaal nieuwe wis- en natuurkunde, die middelbare scholieren tot op de dag van vandaag krijgen aangeleerd.

Al die doorbraken borrelden niet zomaar op in Newtons brein. De eigenzinnige denker stond in een traditie, die historici vaak laten beginnen in het jaar 1543. Toen presenteerde Nicolaus Copernicus een wiskundig model van ons deel van de kosmos, waarin hij de aarde om de zon liet draaien, in plaats van andersom. Dat botste met de Bijbelse leer en de aristotelische traditie, die de aarde in het midden plaatsten. Maar wiskundig gezien was Copernicus’ systeem vele malen eleganter.

In hetzelfde jaar kreeg de academische traditie nog een klap. In een anatomische atlas vol prachtige platen van het menselijk lichaam wees de Brabander Andreas Vesalius op fout na fout in het werk van dé autoriteit in de geneeskunde: de Grieks-Romeinse arts Galenus uit de tweede eeuw na Christus. Eeuwenlang hadden artsen hun anatomische kennis ontleend aan zijn werk, maar dat was gebaseerd op secties van dieren. Vesalius onderzocht menselijke lijken en toonde aan dat die op wezenlijke punten afweken.

De publicaties van Copernicus en Galenus waren symbolische openingsstoten in een lange reeks dreunen die de academische kennis te verwerken kreeg. Zeelui die Oost en West verkenden, brachten nieuwe inzichten mee, die lastig te verenigen waren met het heersende wereldbeeld. Neem Chinese historische kronieken, die vele eeuwen teruggingen – verder dan de Bijbelse verhalen over de zondvloed. Die meldden niets over een wereldwijde overstroming. Hoe zat dat? Was die Bijbelse ramp misschien een verzinsel?

Tot overmaat van ramp kwamen rond 1600 de telescoop en de microscoop op de markt, die nog meer twijfel zaaiden. Berucht waren de waarnemingen van de Italiaan Galileo Galilei, die begin zeventiende eeuw een telescoop op de zon richtte. Hij was voorzichtiger dan Newton een halve eeuw later, en projecteerde het beeld van de zon op een stuk papier, zodat hij niet direct in het felle licht hoefde te staren.

Op die manier deed Galilei een waarneming die volgens Aristoteles onmogelijk was. Hij zag zwarte vlekken op het oppervlak – ‘zonnevlekken’ – en toonde aan dat die meebewogen met de draaiing van de zon. Blijkbaar hoorden ze bij de ster. Maar volgens de aristotelische theorie was de zon een perfecte, onveranderlijke bol, zonder smetten. Want in het hele ‘bovenmaanse’ was alles eeuwig en volmaakt.

Die opvatting bracht Galilei aan het wankelen, geholpen door collega’s die andere imperfecties aan de hemel opmerkten. Het waren ontregelende waarnemingen. Het onderscheid tussen het vergankelijke aardse en de onaantastbare hemelse sferen was namelijk een fundament van de natuurfilosofie. Wie daaraan morrelde, bracht een heel systeem in de problemen.

Vandaar dat sommigen Galilei’s waarnemingen en de andere vreemde nieuwtjes gewoon niet konden geloven. De waarheid lag vast – die was te lezen in de Bijbel en bij de antieke auteurs – en dus moest er iets mis zijn met Galilei’s telescoop en de andere informatiebronnen.

Anderen probeerden de nieuwe informatie wel een plaats te geven. Maar dat was allesbehalve eenvoudig. Vanuit onze tijd, die is doordrongen van de wetenschappelijke manier van denken, is het wellicht moeilijk voor te stellen, maar gedurende een groot deel van de zeventiende eeuw was het tastend zoeken naar nieuwe vaste grond onder de voeten – naar een nieuwe manier om degelijke kennis te vergaren.

Een van de uitwegen uit dit moeras van twijfel was het wetenschappelijk experiment. In de loop van de zeventiende eeuw waagden steeds meer nieuwsgierige geesten zich aan deze manier van onderzoek. Denk aan Newton, die met gevaar voor eigen ogen het effect van zonlicht bestudeerde. Of aan onderzoekers die met een luchtpomp aan de gang gingen om de werking van luchtdruk te onderzoeken en te kijken of ze een vacuüm konden creëren. Met hun proeven creëerden ze nieuwe problemen voor het staande wereldbeeld, want volgens Aristoteles was een vacuüm onmogelijk. De natuur ‘verafschuwde’ leegte, aldus de grote filosoof.

Het idee dat de natuur iets kan verafschuwen klinkt ons vreemd in de oren, maar voor veel zeventiende-eeuwers was het vanzelfsprekend. Zij waren opgegroeid in een wereld waarin de natuur zich gedroeg zoals ze zich hóórde te gedragen. Zware objecten vielen bijvoorbeeld naar beneden omdat daar hun natuurlijke plaats was. Eikels ontwikkelden zich tot eiken omdat dat hun natuurlijke doel was. En de natuur voorkwam absolute leegte omdat dat niet hoorde bij de juiste orde der dingen. Die manier van denken was fundamenteel – net als het geloof in het boven- en ondermaanse. Vandaar dat niet iedereen overtuigd was door bijvoorbeeld de luchtpompexperimenten.

En waren experimenten eigenlijk wel een zinvolle manier om de natuur te onderzoeken? Werd de natuur op die manier niet te veel gemanipuleerd, in een tegennatuurlijk keurslijf gedrongen? Waarom zou een proef met een kunstmatige luchtpomp relevante informatie opleveren over de gang van zaken in de echte natuur? Deze vragen waren onderwerp van verhit debat.

Toen Newton in Cambridge studeerde, was dat debat volop gaande. Hijzelf hoorde duidelijk bij het experimenteerkamp en bouwde van daaruit aan de optica, de leer van het licht. In zijn wonderjaar 1666 deed hij onder meer proeven met prisma’s, waaruit hij leerde dat wit licht is samengesteld uit alle kleuren van de regenboog – een conclusie die de meeste van zijn tijdgenoten maar moeilijk konden bevatten.

Maar Newton was niet alleen een goede proefnemer; hij was vooral ook een groot theoreticus. Een groot deel van zijn wonderjaar bracht hij puzzelend door achter zijn bureau, met minstens evenveel toewijding als waarmee hij zijn optische experimenten had gedaan. Zo ontwikkelde hij een heel nieuwe tak van wiskunde, de differentiaalrekening. Die houdt zich bezig met de hellingen van grafieken en de oppervlakken eronder, en is heel handig voor berekeningen aan bijvoorbeeld vallende voorwerpen of ronddraaiende planeten.

Ten slotte werkte Newton tijdens dat wonderjaar ook aan die vallende en draaiende objecten zelf. Hij stelde zich bijvoorbeeld de vraag hoe het kon dat de maan steeds dezelfde rondjes draaide om de aarde, en dat een appel naar beneden viel. Volgers van Aristoteles hadden voor die twee bewegingen twee verklaringen nodig: de maan draaide zijn onveranderlijke perfecte cirkels omdat hij onderdeel was van de perfecte hemelse sferen. En de appel viel naar beneden omdat hij daar hoorde.

Maar voor Newton was dat onacceptabel. In de eerste plaats was in de loop van de zeventiende eeuw duidelijk geworden dat de maan en de planeten geen perfecte cirkels draaiden, maar afgeplatte ellipsen. En in de tweede plaats hadden Galilei en de zijnen het hele onderscheid tussen het boven- en ondermaanse aan het wankelen gebracht.
Universele natuurwetten

Vandaar dat Newton kwam met het revolutionaire idee van één verklaring: de zwaartekracht, die zowel aan de appel als aan de maan trok. En daarnaast bouwde hij een systeem van heldere mechanische wetten waarmee hij alle bewegingen in de kosmos kon verklaren. Zo knoopte hij allerlei touwtjes aan elkaar die Galilei en geestverwanten al experimenterend hadden blootgelegd, maar waarvan niemand wist hoe ze moesten worden samengevat tot een mooi alternatief voor de oude academische waarheden. Zijn universele natuurwetten, geschreven in de taal van de wiskunde, beschreven nauwkeurig de mogelijke bewegingen van alle objecten in het heelal.

Zo gaf Newton in zijn wonderjaar veelbelovend richting aan de natuurwetenschap – een richting die onderzoekers nog steeds volgen. En hoewel zijn werk de afgelopen drieënhalve eeuw is verfijnd en genuanceerd, onder anderen door Einstein, staan zijn ideeën nog grotendeels overeind.