De regenboog als rekensom

Het is deze maand drie eeuwen geleden dat Isaac Newton zijn boek Opticks publiceerde, over licht. Het boek geldt als het begin van de moderne optica....

Door Martijn van Calmthout

Welbeschouwd hebben we het allemaal te danken aan de Britse astronoom Edmund Halley (1656-1742), later onsterfelijk geworden als de man van de elke 76 jaar weerkerende komeet.

Zonder Halley is het in elk geval twijfelachtig of Isaac Newton (1642-1727) in 1687 zijn grote theorie over de zwaartekracht, Principia Mathematica, zou hebben gepubliceerd.

En zonder dat even onleesbare als baanbrekende boek zou Newton mogelijk ook nooit Opticks hebben uitgebracht, het driedelige werk waarin hij in februari 1704 als eerste het gedrag van licht wiskundig beschreef.

Halley was het die in maart 1684 van Londen naar Cambridge reisde met een vraag aan collega Isaac Newton, al sinds 1669 hoogleraar in de wiskunde aan het Trinity College. Het was een kwestie waarover Halley verhitte discussies had gevoerd met zijn luidruchtige vakbroeder Robert Hooke van de Royal Society, de Engelse academie van wetenschappen. Welke baan, zo luidde de vraag, beschrijft een planeet wanneer de aantrekking van de zon omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand?

Newton, aldus de overlevering, aarzelde geen moment. Een ellips natuurlijk,zei hij. Hoe of hij dat wist, wilde Halley weten. Omdat hij dat allang had uitgerekend, zei Newton. Of hij de berekening eens mocht zien, vroeg Halley weer. Waarop Newton tevergeefs in zijn kasten vol paperassen zocht naar het betreffende document en aan Halley beloofde het hem na te zullen zenden.

Drie maanden later arriveerde in Londen een verhandeling van negen vellen, De Motu Corporum in Gyrum, over de beweging van ronddraaiende lichamen. Geschreven door Isaac Newton. De kluizenaar van Cambridge was weer helemaal in de ban geraakt van de zwaartekracht. In nog geen twee jaar produceerde hij zijn Principia, het boek dat de basis zou leggen voor de mechanica, van de bewegingen aan de hemel tot vallende objecten op aarde. Pas in de twintigste eeuw zou Einstein er in zijn relativiteitstheorie de beperkingen van aantonen.

'Je kunt behoorlijk lang volhouden dat zonder Edmund Halley we nooit meer iets van Newton vernomen zouden hebben', zegt dr. Fokko Jan Dijksterhuis van de Universiteit Twente in Enschede. Als wetenschapshistoricus is hij gespecialiseerd in Newtons tijdgenoot en criticus Christiaan Huygens, het genie van Hofwijk (1629-1695).

Dijksterhuis: 'We kennen Newton natuurlijk als het genie van de klassieke natuurkunde. Maar in feite had hij zich in Cambridge gaandeweg helemaal teruggetrokken in zijn alchemie en theologische verhandelingen.'

Deze maand is het drie eeuwen geleden dat dit laatste grote werk verscheen. Fysici vieren hun onvermijdelijke herdenkingsfeestjes. En al even onvermijdelijk komen de verhalen weer boven, over de bizarre wordingsgeschiedenis van het optica-boek. Grootste raadsel: waarom publiceerde hij Opticks pas in 1704?

Newton vestigt namelijk dertig jaar eerder, in 1672, zijn naam met zijn optische werk. Op 6 februari stuurt de dan 29-jarige Newton een artikel aan de secretaris van de Royal Society of Londen, de van oorsprong Duitse Henry Oldenburg, over zijn experimenten met prisma's.

Oldenburg schrapt enkele al te pedante zinsnedes van de briljante wiskundige uit Cambridge, maar publiceert de rest in de wetenschap dat het revolutionair materiaal is. In het artikel bewijst Newton dat wit zonlicht een samenstelling is van uiteenlopende soorten gekleurd licht. Dezelfde kleuren licht die in de regenboog te vinden zijn.

Newton concludeert dat op grond van experimenten die hij in de jaren zestig op Trinity en thuis in Woolsthorpe heeft gedaan met prisma's. Op dat moment was de meest gangbare opvatting nog dat wit licht in kleurbanen uit een prisma komt, omdat het prisma onderweg iets aan het licht verandert.

Echt wezenlijk wordt de hele kleurkwestie in vakkringen dan trouwens nog niet gevonden. Kleur is meer iets voor dichters en filosofen zelfs van de regenboog zien de natuurfilosofen alleen de vorm en ligging als iets wat het doorgronden waard is.

Maar Newton is daar niet van overtuigd, al was het maar omdat er een hardnekkig probleem in de lenzenkijkers bestaat, dat 'chromatische aberratie' heet. Wat kijkerbouwers ook proberen, sterbeelden blijven maar onscherpe gekleurde randen houden.

In 1666 doet hij een serie simpele, maar slimme proeven. In een verduisterde kamer laat hij een reepje zonlicht door een prisma vallen, waardoor het spectrum ontstaat. Met een tweede prisma laat hij vervolgens zien dat elke afzonderlijke kleur licht wel wordt afgebogen, maar niet meer van kleur verandert. Kennelijk, stelt Newton, is er een eigenschap van licht, die maakt dat verschillende kleuren licht anders afbuigen.

Dijksterhuis: 'Maar t cruciaal is dat Newton een rigoureuze mathematische behandeling geeft van wat hij ziet. Hij identificeert kleur met een getal, de brekingsindex. Nu vinden we zo'n aanpak de normaalste zaak van de wereld, maar toen was in de natuurfilosofie een veel kwalitatievere benadering de norm.'

Robert Hooke, beheerder van het experimentele kabinet van de Royal Society, is op dat moment de belichaming van die kwalitatieve traditie. Zodra hij het nieuwe werk van Newton onder ogen krijgt, valt hij aan. Newton, aldus Hooke, verkondigt mathematische hypotheses en denkt dat een enkel proefje als bewijs volstaat. Zijn belangrijkste verwijt is echter dat Newton er implicietvan uit gaat dat licht uit deeltjes bestaat, terwijl hijzelf, zoals velen, meer denkt aan trillingen of pulsen in de ether.

Tussen de twee zal het daarna nooit meer goed komen, en als Hooke na de dood van Oldenburg in 1677 de nieuwe secretaris van de Royal Society wordt, keert Newton het gezelschap hooghartig de rug toe.

In Cambridge werkt hij voornamelijk nog aan de alchemie en theologische verhandelingen, eens in de week onderbroken door een verplicht college. Dat daar zelden studenten verschijnen, deert hem niet, hij praat glashard tegen een lege zaal.

Als Hooke in 1702, dertig jaar na de eerste aanvaringen, sterft en Newton hem dankzij zijn baanbrekende werk in de Principia opvolgt als secretaris van de Royal Society, schudt hij het verleden af. In korte tijd ligt Opticks er. Gebaseerd op zijn werk in de jaren zestig, maar ook op onderzoekingen die hij blijkens zijn collegedictaten in de tussenliggende jaren had gedaan. ILLUSTRATIE MANSELL COLLECTION

Bovendien is er een hoofdstuk met zogeheten queries, retorische vragen waarin Newton hardop hypotheses en openstaande kwesties overdenkt.

Daar in de queries, lichtjes vermomd als vraag, staat ook wat Hooke al vermoedde: Newtons veronderstelling dat licht een stroom deeltjes is.

Dat kun je een schandvlek op zijn werk noemen, zegt Dijksterhuis, want licht is toch vooral een elektromagnetische trilling. Maar enige relativering acht hij op zijn plaats. 'Je kunt ook zeggen dat Newton ondanks zijn misvatting toch de correcte grondslagen voor de optica neerzette.'

En zeker niet pas in 1704. Vorige week nog had Dijksterhuis de aantekeningen van Christiaan Huygens uit 1669 in handen. Daarin staat een schets voor een lenzenkijker, waarvan Huygens meende dat hij geen last had van de gehate kleuronscherpte. Met een dikke streep erdoor, de vermelding hic inutile est (onbruikbaar) onder verwijzing naar Newton. Die streep, weet Dijksterhuis zeker, is van kort na 1672.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden