Newton, ein Mann baut ein Universum

I. Die Pest

1665. Newton ist zweiundzwanzig. Die Pest unterbricht das Leben in Cambridge.

Der Schatten der großen Londoner Pest reicht weit ins Land. Newton kehrt nach Woolsthorpe in Lincolnshire zurück, in das steinerne Bauernhaus, in dem er geboren wurde. Bis zum Frühjahr 1667 verbringt er einen großen Teil seiner Zeit dort; zwischendurch geht er kurz nach Cambridge zurück.

Später werden 1665 und 1666 seine Wunderjahre genannt. Nicht eine Nacht, in der sich alles enthüllt hätte, sondern eine ungewöhnlich dichte Arbeitszeit. Der Name erinnert auch an Einsteins Jahr 1905.

Was geschieht in diesem Haus?

Newton treibt seine Untersuchungen zu Reihen, Fluxionen und Quadraturen voran. Änderungsraten und angesammelte Größen erhalten einen neuen Zusammenhang. Die Infinitesimalrechnung entsteht nicht aus leerem Raum. Fermat, Descartes, Wallis, Barrow und andere haben Wege gebahnt. Newton geht sehr weit, aber auf einem Boden, der bereits Fußspuren trägt.

Mit Prismen untersucht er das Licht. Weiß entfaltet sich zu einem farbigen Band; verschiedene Farben werden verschieden stark gebrochen. Die berühmte Einteilung in sieben Farben bedeutet nicht, dass die Natur nur sieben getrennte Farbstücke bereithält. Entscheidend ist etwas anderes: Das Glas hat kein einfaches, reines Weiß verdorben. Weißes Licht enthält von sich aus unterschiedliche Bestandteile.

Auch der fallende Körper und der Mond rücken in eine gemeinsame Frage. Reicht die Schwerkraft, die den Apfel herabzieht, bis zum Mond? Bis zu einer ausgereiften Theorie der allgemeinen Gravitation liegen noch ungefähr zwanzig Jahre des Rechnens, Streitens und Prüfens vor ihm.

Zweiundzwanzig. Pest. Land. Ein erstaunliches Bild. Doch nicht das Bild eines Menschen, der ohne Vorgänger und Briefpartner aus dem Nichts die gesamte Physik erschafft.

Einsteins Jahr 1905 hinterlässt vier bedeutende Aufsätze. Bei Newton wachsen in dieser Zeit Mathematik, Optik und Gravitationsforschung gemeinsam. Der eine arbeitet im Patentamt, der andere außerhalb des Universitätsalltags. Beides sieht nicht nach der großen wissenschaftlichen Bühne aus, die man sich vorstellt.

Leid bringt nicht automatisch Entdeckungen hervor. Abgeschiedenheit ist kein Rezept für Genie. Wir sehen einen Menschen weiterarbeiten, nachdem sein Alltag unterbrochen wurde.

Im Bild dieses Essays steht Newton eher auf der Seite des Bauens, Einstein auf der Seite des Meißelns. Nicht, weil der eine nur errichtete und der andere nur abrisse. Auch Einstein baut. Und Newtons Bau trägt dazu bei, eine alte Grenze zwischen Himmel und Erde aufzubrechen.

II. Bauen

1687 erscheinen die Mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie. Die Principia. Ein Buch, das verändert, welche Fragen spätere Menschen überhaupt stellen können.

Drei Bewegungsgesetze.

Das erste: In einem Inertialsystem bleibt ein Körper in Ruhe oder bewegt sich gleichförmig geradlinig weiter, wenn die resultierende äußere Kraft null ist. Bewegung benötigt keine Hand, die unablässig weiterschiebt.

Das zweite verknüpft die Änderung der Bewegung mit der einwirkenden Kraft. In der heute üblichen Form für konstante Masse lautet es für die resultierende Kraft: F = ma.

Das dritte: Zwei wechselwirkende Körper üben gleich große, entgegengesetzte Kräfte aufeinander aus. Diese Kräfte greifen an verschiedenen Körpern an. Sie heben sich nicht von selbst an einem einzigen Körper auf.

Dazu die allgemeine Gravitation: Für zwei Punktmassen ist die Anziehung proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands. F = Gm₁m₂/r². Ausgedehnte Himmelskörper einzubeziehen erfordert zusätzlich Geometrie, Massenverteilungen und Beweise.

Wenige Grundsätze öffnen einen erstaunlich weiten Raum für Berechnungen.

Der Apfel fällt. Der Mond umläuft die Erde. Die Erde die Sonne. Gezeiten, Keplers Planetenbahnen, vorbeiziehende Kometen, der Bogen eines bodennah geworfenen Steins: Sie finden eine gemeinsame Sprache der Mechanik. Genaue Gezeitenrechnungen, die Mondbewegung und das Zusammenspiel vieler Körper sind freilich mit vier Sätzen nicht erledigt.

Vernachlässigt man den Luftwiderstand und setzt die Schwerebeschleunigung nahe dem Boden als konstant an, beschreibt der Stein eine Parabel. Im idealisierten gravitativen Zweikörperproblem lassen sich Keplerbahnen herleiten. Annahmen sind keine Schande. Erst wenn sie benannt sind, weiß eine Rechnung, worauf sie steht.

Unter unseren Füßen und über unseren Köpfen dieselben Grundsätze. Darin liegt die Kraft dieses Baus: Apfel und Mond müssen nicht länger zwei voneinander unabhängigen Arten von Physik angehören.

Die aristotelische Tradition unterschied die Bewegungen des himmlischen Äthers von den Veränderungen der vier irdischen Elemente. Spätere Astronomie, Galilei und andere hatten diese Grenze bereits gelockert. Newton führt die Veränderung in einen neuen, systematisch ableitbaren Zusammenhang.

Stellen wir für einen Moment Qin Shi Huang daneben. Der eine bringt Gebiete unter gemeinsame Verwaltungsmaßstäbe, der andere Himmel und Erde in eine gemeinsame mathematische Sprache. Erlasse werden durch Macht durchgesetzt; physikalische Theorien müssen sich Messungen stellen. Verglichen wird der Wille zur Vereinheitlichung, nicht die Behandlung von Menschen und Dingen als gleichartiges Material.

Auch misst die Lebensdauer einer Dynastie nicht die Lebensdauer einer Theorie. Die vereinigte Qin-Dynastie besteht etwa fünfzehn Jahre. Newtons Mechanik überdauert zwei Jahrhunderte und ist bis heute in Gebrauch.

III. Er wusste, wo die Lücke lag

So mächtig der Bau ist: Newton behauptet nicht, alles erklärt zu haben.

Wie wirkt die Gravitation eigentlich?

Zwischen Erde und Mond liegen Hunderttausende Kilometer. Ihre Beziehung aufschreiben zu können heißt nicht, ihren letzten Grund zu kennen.

Im Allgemeinen Scholium, das 1713 zu den Principia hinzukommt, schreibt Newton: Hypotheses non fingo. „Ich erdichte keine Hypothesen.“ Die Ursache dieser Eigenschaften der Schwerkraft hat er noch nicht aus den Erscheinungen abgeleitet.

Bei dieser Unterscheidung lohnt es sich, zu verweilen. Ich kann eine Bewegung sehr genau berechnen. Darum weiß ich noch nicht, warum die Natur eine solche Kraft besitzt.

Das ist kein Verbot wissenschaftlicher Vermutungen. Newton selbst stellt anderswo Hypothesen und Fragen zum Äther und zur Wirkungsweise der Materie auf. Hier will er eine nicht belegte Erklärung nicht als gesichertes Wissen ausgeben.

Mehr als zwei Jahrhunderte später beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie Gravitation durch die Geometrie der Raumzeit. Frei fallende Körper folgen Geodäten in einer gekrümmten Raumzeit. Änderungen des Gravitationsfeldes breiten sich aus; Gravitationswellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Eine geometrische Beschreibung macht diese Änderungen nicht augenblicklich.

Mit den Worten dieses Essays: Newton hält einen Platz für das Unbekannte frei. Eine Theorie, die gut rechnet, muss nicht zur letzten Erklärung erklärt werden.

Daneben lässt sich die Unterdrückung von Widerspruch durch die Bücherverbote der Qin-Zeit stellen. Doch eine offene physikalische Frage und das Rederecht eines Menschen sind nicht dieselbe Art von Rest. Aus der unterschiedlichen Dauer zweier Epochen folgt kein Geschichtsgesetz, das Tugend belohnt und Schuld bestraft.

Newtons Interesse an der Welt endet nicht an der Tür zur Mechanik.

Lange vor den Principia beschäftigt er sich mit Alchemie und Theologie. Er schreibt Handschriften ab, experimentiert, prüft Kirchengeschichte, liest Daniel und die Offenbarung, deutet die Zeiträume von Prophezeiungen. Diese Arbeiten liegen neben der Mathematik auf seinem Tisch. Sie sind kein Ruhestandsprojekt, das nach der „Vollendung“ der Physik beginnt.

Auch dort sucht er eine verborgene Ordnung. Wir können dieses Verlangen befragen. Aus seinen Forschungsgegenständen eine Krankheit abzuleiten oder ihm zu unterstellen, der Erfolg habe ihn von seiner Allwissenheit überzeugt, ist etwas anderes.

1720 bringt ihm eine andere Ordnung schwere Verluste: die Südseeblase. Forschungen zu den Handelsunterlagen stützen das Bild früher gewinnbringender Verkäufe und späterer Käufe zu hohen Kursen. Der Verlust ist beträchtlich. Die oft genannten zwanzigtausend Pfund enthalten Schätzung und Überlieferung; sie bedeuten nicht, dass er mittellos zurückblieb.

Ein weithin ihm zugeschriebener Ausspruch stellt die Berechenbarkeit der Himmelsbewegungen der Unberechenbarkeit menschlichen Wahnsinns gegenüber. Seine Überlieferung ist weniger sicher als der Text der Principia. Er darf ein Echo dieser Geschichte bleiben, ohne zur wörtlichen Tonaufnahme neben dem Kontobuch zu werden.

Eine Mondbahn und ein Urteil über den Markt verlangen unterschiedliches Wissen. Ein Geldverlust widerlegt die allgemeine Gravitation nicht. Er erinnert daran, dass Genauigkeit in einem Gebiet nicht von selbst zur Herrschaft über das ganze Leben wird. F = ma ist nicht die gesamte Wissenschaft vom Menschen.

IV. Die andere Seite

Wer eine starke Theorie bauen kann, behandelt andere deshalb noch nicht gerecht.

Newton und Leibniz entwickeln die Infinitesimalrechnung unabhängig voneinander. Newtons frühe Arbeiten sind älter; Leibniz veröffentlicht zuerst und führt außerordentlich einflussreiche Schreibweisen und Verfahren ein. Der spätere Prioritätsstreit wächst über die Mathematik hinaus: Es geht um Ansehen, Plagiatsvorwürfe und institutionelle Macht.

1712 setzt die Royal Society einen Untersuchungsausschuss ein. Ihr Präsident Newton wirkt maßgeblich an der Auswahl des Materials und am Bericht mit. Dieser verteidigt seinen Vorrang und legt zu Unrecht nahe, Leibniz habe abgeschrieben. Später bespricht Newton den Bericht auch noch anonym. Dass eine Streitpartei durch die Stimme einer Institution das eigene Urteil spricht, wird nicht belanglos, weil diese Partei ein großer Wissenschaftler ist.

Auch die Auseinandersetzungen mit Hooke über Optik und Gravitation hinterlassen Spuren. Spätere Erzählungen machen aus dem fehlenden Hooke-Porträt sogar ein von Newton zerstörtes Bild. Dabei ist schon unsicher, ob ein solches Porträt je in der Royal Society hing. Die Streitigkeiten sind belegt; die Zerstörung folgt daraus nicht.

Ein weiterer Schreibtisch steht in der königlichen Münzstätte. Newton wird 1696 ihr Aufseher und 1699 ihr Leiter. Er befragt Verdächtige und Informanten, sammelt Zeugenaussagen und verfolgt Falschmünzerei. Das ist kein mathematisches Spiel auf Papier. Die Ermittlungen führen in die harte Strafjustiz seiner Zeit; manche Angeklagte werden hingerichtet.

Bauernhaus, Aufsätze, Ausschuss, Münzen, Verhöre. Eine Begabung erhellt nicht alles. Ein Unrecht verbrennt auch nicht jede Leistung zu Asche.

Gödels Unvollständigkeitssätze betreffen bestimmte formale Systeme. Sie beweisen nicht, dass eine Persönlichkeit „widerspruchsfrei, aber unvollständig“ sei. Um Newtons Umgang mit Macht zu beurteilen, brauchen wir Briefe, Handlungen und die betroffenen Menschen, keinen mathematischen Stempel auf dem moralischen Urteil.

Washingtons Machtverzicht löscht seine Versklavung von Menschen nicht aus. Einsteins Einwand gegen die Vollständigkeit der Quantentheorie lässt sich dagegen nicht als gleichartige moralische Verfehlung neben Sklaverei und institutionelles Unrecht stellen. Jede Frage verlangt ihren eigenen Blick. Große Arbeit ist kein Unschuldszeugnis. Kritik nimmt einem Menschen aber auch nicht seinen Rang als Mensch.

V. Auf den Schultern von Riesen

1676 schreibt Newton an Hooke: „Wenn ich weiter gesehen habe, dann deshalb, weil ich auf den Schultern von Riesen stand.“

Im selben Brief würdigt er Descartes und Hooke. Der Satz wurde als Bescheidenheit gelesen, aber auch als möglicher Spott. Wir müssen kein unbelegbares inneres Drama an Hookes Körpergröße festmachen. Sehen wir zunächst die Beziehung, die diese Worte anerkennen.

Sein Bau beginnt nicht bei null.

Kepler beschreibt die Gesetzmäßigkeiten der Planetenbewegung. Galilei treibt die Forschung zu Fall und Bewegung voran. Descartes bringt Algebra und Geometrie in neue Beziehungen. Barrow, Wallis und andere, die Beobachtungen und Fragen beitragen, sind ebenfalls unterwegs. Halleys Ermutigung und Unterstützung der Veröffentlichung helfen den Principia, den Schreibtisch zu verlassen.

Newton übernimmt diese Arbeiten und verändert sie. Er legt nicht unveränderte Bruchstücke in einen Kasten. Er macht zuvor getrennte Ergebnisse so aufeinander beziehbar, dass sie sich wechselseitig herleiten und prüfen lassen.

Neben Konfuzius und Homer zeigt sich eine begrenzte Gemeinsamkeit: Überliefern schließt Schaffen nicht aus. Das „Übermitteln“ des Konfuzius und der Weg der homerischen Tradition von mündlicher Aufführung zum gestalteten Epos lassen sich nicht auf die Buchredaktion eines Einzelnen reduzieren. Sie sind auch keine frühen Fassungen von Newtons Mechanik.

Dennoch wächst Neues oft dort, wo andere schon gelebt, gefragt und gesungen haben. Die Vorgänger zu nennen macht die eigene Arbeit nicht kleiner.

Weitergeben heißt nicht bloß wiederholen. Was in andere Hände gelangt, kann neue Beziehungen und neue Kraft gewinnen.

VI. Zweihundert Jahre

Wie lange hält Newtons Bau?

Von den Principia 1687 bis zur speziellen Relativitätstheorie 1905 vergehen 218 Jahre. Bis zur allgemeinen Relativitätstheorie 1915 nochmals zehn. Die beiden Daten bezeichnen Veränderungen auf unterschiedlichen Ebenen der Fragen nach Raum, Zeit und Gravitation.

In dieser langen Zeit verändert Newtons Mechanik Ingenieurwesen und Astronomie tiefgreifend. Mit ihr und ihren Weiterentwicklungen baut man Brücken, Schiffe und Eisenbahnen, berechnet Planeten und Kometen. Zugleich wachsen die Forschungen über Wärme, Elektrizität, Magnetismus und Licht. Physik bestand nie nur aus den Principia.

Die Schwierigkeiten warten nicht auf Einstein. Im neunzehnten Jahrhundert ist die anomale Periheldrehung des Merkur bereits ein Problem. Riesiger Erfolg bedeutet nicht zweihundert Jahre ohne jede Abweichung.

Dann verändert Einstein den Maßstab der Fragen.

Die spezielle Relativitätstheorie fasst die Raum-Zeit-Beziehungen bei hohen Geschwindigkeiten neu, die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation. Unter passenden Bedingungen, etwa bei Geschwindigkeiten weit unter der Lichtgeschwindigkeit und schwachen Gravitationsfeldern, erhält man Newtonsche Beschreibungen als ausgezeichnete Näherungen zurück.

Näherung ist keine Nachlässigkeit. Sie hat eine Genauigkeit und einen Geltungsbereich. Was für eine Brücke genügt, kann für präzise Himmelsmessungen unzureichend sein. Selbst die Mondbahn verlangt bei hoher Genauigkeit relativistische Korrekturen.

„Enthalten sein“ ist deshalb eine bedingte Aussage. Die neue Theorie erklärt, warum die alte auf einem weiten Gebiet so gut funktioniert und wo sie nicht ausreicht. Newtons absoluter Raum und seine absolute Zeit sind nicht unverändert in die neue Theorie umgezogen.

Auch die Quantentheorie verändert die Beschreibung des Mikroskopischen. Die klassische Mechanik verlässt deshalb weder Klassenzimmer noch Fabriken noch Raketenstartplätze. Dass sie weiterhin nützt, macht sie nicht auf jeder Skala zur letzten Antwort.

Diese Beziehung lässt sich nicht beliebig auf alle Menschen der Reihe übertragen. Sokrates’ freie Fläche ist nicht der Grenzfall eines anderen Denkers bei kleinen Geschwindigkeiten. Konfuzius’ Menschlichkeit ist keine Näherung an eine Formel. Kants Ding an sich ist kein Messfehler. Unterschiedliche Gedanken verlangen unterschiedliche Vergleichsmaßstäbe.

Den Geltungsbereich von Newtons Theorie bestimmen physikalische Herleitung und Erfahrung, nicht eine erneute historische Erfüllung von Gödels Satz. „Rest“ erinnert hier nur daran, den Blick für noch unerklärte Erscheinungen offenzuhalten.

VII. Newton und die anderen

Stellen wir diese Menschen noch einmal nebeneinander. Das ist ein Lesebild der Reihe, kein Urteil, das ein ganzes Leben in einen Satz zwängt.

Qin Shi Huang erweitert die institutionelle Einheit und verengt durch Bücherverbote und Tötungen den Raum für Widerspruch. Seine Dynastie ist kurzlebig; ihr institutionelles Erbe wandelt sich weiter. Washington gibt zweimal Macht zurück, ohne allen Menschen auf seinem Anwesen Freiheit zu geben. Alexanders einheitliches Königtum zerfällt; kulturelle Verbindungen fallen nicht auf null zurück.

Kant schreibt drei Kritiken und fragt nach den Grenzen der Vernunft. Der Buddha lehrt, mit dem Floß überzusetzen, ohne daran zu hängen, nicht sämtliche Lehren zu vernichten. Einstein folgt Schönheit und Ordnung und begegnet zugleich dem Abstand zwischen Theorie und Welt. Die homerische Tradition trägt Stimmen durch die Generationen bis in die Schrift.

Newton bringt viele Bewegungen auf der Erde und am Himmel in gemeinsame mathematische Beziehungen. Spätere Theorien verändern die Grenzen der Karte, ohne sämtliche Wege darauf auszulöschen.

Heutige Raketen und Brücken beruhen weiterhin auf klassischer Mechanik und ihren Weiterentwicklungen. Sein Werk ist hier nicht das einzige, das sich erben ließe. Aber es macht das Erben durch Veränderung besonders anschaulich: Die alte Formel steht noch auf dem Papier und bringt die Rechnung weiterhin mit den Dingen zusammen.

Kein Bau ohne Lücken. Einer, der wiederholter Nutzung standhält und weiter geprüft werden muss. Verlässlich heißt nicht allumfassend erklärend.

Ich stelle ihn mir gern als einen besonders festen Ziegel vor. Nicht um Newton zum Sieger über alle anderen zu erklären, sondern weil so viele Spätere ihm noch immer Gewicht anvertrauen können.

Am Anfang der Brücke, die diese Reihe sich vorstellt, stehen Meißelnde, Bauende, vom Leben Bearbeitete und Menschen, die fortgegangen sind. Newton ist nicht die ganze Brücke. Ohne seinen Ziegel würde ihr allerdings ein beträchtliches Stück fehlen.

VIII. Der Apfel

Zum Schluss noch einmal der Apfel.

In seinen 1752 fertiggestellten Erinnerungen berichtet William Stukeley von einem Gespräch mit Newton im Jahr 1726. Sie trinken Tee im Garten. Newton erzählt, wie er in jungen Jahren einen Apfel fallen sah und über die Schwerkraft nachdachte.

Warum, so diese Erinnerung, fällt der Apfel zum Erdmittelpunkt statt seitwärts oder nach oben zu fliegen? Zieht Materie Materie an, dann zieht auch der Apfel die Erde an. Die Frage reicht über den Baum hinaus, allmählich bis zum Mond und zu den Himmelskörpern.

Es ist kein Bericht von einem Apfel auf einem Kopf. Auch keine unmittelbar geführte Notiz, aus der sich die ganze Entdeckung rekonstruieren ließe. Wie ein alter Mensch vom Anfang seiner Arbeit erzählt, verdient dennoch Gehör.

Ein Apfel fällt. Ein Mensch lässt „So ist es eben“ nicht als letzte Antwort gelten.

Dieser Essay nennt die Frage einen Meißelschlag: Vertrautes wird wieder fremd. Was folgt, ist kein Geistesblitz, der alles erklärt, sondern rund zwanzig Jahre Rechnen, Gespräch, Überarbeitung und Aufbau.

Frage: Warum fällt der Apfel? Antwort: Versuchen wir, ihn durch die allgemeine Gravitation mit dem Mond zu verbinden. F = Gm₁m₂/r². Die Antwort trägt die Frage weiter und lässt neue Fragen zurück.

Das letzte Bild bleibt in Woolsthorpe: ein Mann Anfang zwanzig, ein steinernes Haus, ein Garten, ein fallender Apfel. Eine literarische Szene entlang einer späten Erinnerung, kein nachträglich ausgefülltes zeitgenössisches Tagebuch.

Später baut er einen berechenbaren Himmel und eine berechenbare Erde. Nicht das ganze Universum. Aber genug, damit jemand unter einem Baum den Mond neu sehen kann.