3.2.4. Isaac Newton: Gravitation als „Anziehungskraft“?

Auch der geniale englische Mathematiker, Physiker und Astronom Isaac Newton (1643 - 1727) stand anfangs dieser Ansicht nahe und fühlte sich darin durch seinen zeitweiligen Mitarbeiter und Freund, den Genfer Mathematiker Nicolas Fatio de Duillier bestätigt. Im Versuch, den Bewegungsgesetzen der Gravitation auf die Spur zu kommen, hat Newton in seinem "Wastebook" Gedankengänge über die gleichförmige Bewegung auf einer Kreisbahn entwickelt, die von K. Simonyi (S. 254) in folgender Weise wiedergegeben werden: "Die Kraft, die auf einen Körper bei einer Bewegung längs einer krummlinigen Bahn wirkt, kann leicht verstanden werden, wenn wir sie auf eine Vielzahl von Stößen zurückführen ... Das Resultat der fortlaufenden Reihe von Stoßprozessen ist eine Bahn in Form eines Polygonzuges". In der Legende zu einer Abbildung auf der nächsten Seite formuliert Simonyi zusammenfassend: "Wir können einen Körper über eine Reihe von Stößen dazu zwingen, eine Polygonbahn zu durchlaufen. Im Grenzübergang erhalten wir so eine Bewegung längs einer krummlinigen Bahn". Eine solche in kleinsten Sprüngen erfolgende Änderung des Bewegungszustandes kann nun durch jede beliebige, stetig von neuem an den Eckpunkten der Polygonbahn ansetzende Kraft bewirkt werden, und "selbst die Gravitationskraft lässt sich von diesem Standpunkt aus als eine Folge kurzzeitiger Stöße darstellen - wie das Beeckman ja auch bereits getan hat" (Simonyi, S. 254). Und ich ergänze, weil Simonyi es an keiner Stelle seines Buches erwähnt hat: ... wie dies die Genfer Naturforscher Nicolas Fatio de Duillier und Georges-Louis Le Sage in ihren Korpuskulartheorien der Gravitation ausführlich dargestellt haben.

K. Simonyi (S. 255) gibt zu Newtons Ansatz noch nähere Erläuterungen: "Die Kraft kann z.B. eine Zentralkraft sein, die für jeden Punkt des Raumes zu einem festen Punkt, dem Zentrum, hin gerichtet ist ... Bei der Planetenbewegung haben wir es gerade mit einer solchen Kraft zu tun. Wir nehmen nun ... an, dass auch die auf ein Zentrum hin gerichtete Kraft in der Form schnell aufeinanderfolgender Stöße wirksam wird und dass die Bahn folglich die Form eines Polygonzuges hat ...Wir kehren nun zu der polygonzugförmigen Bahn zurück, die unter dem Einfluss kurzzeitiger Kraftstöße zustande kommt, und versuchen, mittels eines Grenzüberganges die quantitativen Beziehungen für die Bewegung eines Körpers auf einer Kreisbahn herzuleiten ... Lassen wir die Zahl der Eckpunkte (des Polygonzugs) beliebig anwachsen, dann kommen wir schließlich zur Kreisbahn ... Daraus ergibt sich dann der konstante Betrag der Kraft, die zum Kreismittelpunkt hin gerichtet ist ... Wegen ihrer Richtung hat schon Huygens diese Kraft als Zentripetalkraft bezeichnet. Sie ... zwingt (den Körper), eine Kreisbahn zu durchlaufen" (Simonyi, S. 256).

Nach diesen Analysen nimmt es nicht wunder, dass Newton selber sich in seiner "Optik" klar zu einem mechanistischen Weltbild bekannt hat, indem er das alte demokritische Prinzip neu formuliert, "dass die Veränderungen der makroskopischen Körper ein Ergebnis der Bewegung der Atome sowie der Entstehung und des Zerfalls von Atomverbänden" seien (Simonyi, S. 267). Auch in seinem Werk "Mathematische Prinzipien der Naturlehre" (in deutsch: Hrsg. J. Ph.Wolfers, Berlin, 1872) geht er solchen Gedanken nach und kommt dabei nahe an die Beeckmanschen Auffassungen heran: "Alle Schwierigkeit der Physik besteht nämlich dem Anschein nach darin, aus den Erscheinungen der Bewegung die Kräfte der Natur zu erforschen ... Viele Bewegungen bringen mich zu der Vermutung, dass diese Erscheinungen alle von gewissen Kräften abhängen können. Durch diese werden die Teilchen der Körper nämlich, aus noch nicht bekannten Ursachen, entweder gegeneinander getrieben und hängen alsdann als reguläre Körper zusammen, oder sie weichen von einander zurück und fliehen sich gegenseitig" (zitiert nach Simonyi, S. 266).

Newton hatte somit selber vorgeschlagen, nach einem Mechanismus der Gravitation zu suchen, der als Impuls oder Stoß wirksam wurde (T. Jaakkola: Action-at-a-Distance and Local Action in Gravitation. PG 201). Auch Newton neigte demnach zur Überzeugung, dass das Fernwirkungsgesetz auf irgendeine Weise im kartesianischen Sinne erklärt werden müsste, er hat jedoch darauf verzichtet, einen solchen Gedanken weiter zu verfolgen und auszuarbeiten. Das ist bemerkenswert, denn Newton lehnte die Wellentheorie des Lichts von Huygens gerade deshalb ab, weil in ihr die Existenz eines Trägermediums angenommen werden musste (Simonyi, S. 281). Diese Annahme war aber nicht mit der empirischen Beobachtung verträglich, dass die Bewegung der Himmelskörper reibungsfrei verläuft. Daher war für Newton nur eine Korpuskulartheorie des Lichts akzeptabel, aber er bedachte nicht, dass ein ähnlicher Ansatz auch für seine Gravitationstheorie naheliegend gewesen wäre. Newton hielt sich in der Frage nach den Ursachen der Gravitation bedeckt, vermied jedenfalls eine klare Stellungnahme, wie auch aus dem folgenden Abschnitt aus seiner "Optik" (übersetzt von W. Abendroth, Leipzig 1898) zu entnehmen ist: "Es ist bekannt, dass die Körper durch die Anziehungen der Gravitation aufeinander einwirken ... Wie diese Anziehungen bewerkstelligt werden mögen, will ich hier gar nicht untersuchen (!). Was ich Anziehung nenne, kann durch Impulse (!) oder auf anderem, mir unbekanntem Wege zustande kommen. Ich brauche das Wort (Anziehung) nur, um im allgemeinen irgendeine Kraft zu bezeichnen, durch welche die Körper gegen einander hin streben, was auch die Ursache davon sein mag (!). Erst müssen wir aus den Naturerscheinungen lernen, welche Körper einander anziehen, und welches die Gesetze und die Eigentümlichkeiten dieser Anziehung sind, ehe wir nach der Ursache fragen, durch welche die Anziehung bewirkt wird (!)" (zitiert nach K. Simonyi, S. 326). Das klingt nach einer Relativierung des Begriffs „Anziehung“, die aber nicht so weit ging, dass Newton entschiedener für die naheliegende Alternative eintrat, wie Beeckman und Fatio de Duillier die Gravitation als Stoßkraft zu verstehen. Weshalb also bei Newton weiterhin die Verwendung des irritierenden und umstrittenen Begriffs „Anziehung“? Denn schließlich war es Newton, der die Prinzipien, die unser Universum regieren, „switched from push to pull“ (= vom Stoß auf den Zug umstellte), wie Karl Popper so treffend formuliert hat.

Ich kann nur darüber spekulieren, weshalb Newton die näherliegende Beeckmansche Auffassung nicht übernommen oder selber ausgearbeitet hatte. Newton kannte die ihr entsprechende Theorie seines Freundes Nicolas Fatio de Duillier, dass die Gravitation durch Stoßkräfte bewirkt werde. Wie konnte es dann dazu kommen, dass er dennoch von „Anziehung“ sprach und schrieb, um die beobachtbaren und durch sein Gravitationsgesetz mathematisch exakt beschreibbaren Schwerephänomene auf einen Begriff zu bringen? Dabei spielten wohl die Vorstellungen des Aristoteles über den Telos (das Ziel) eine Rolle, dass nämlich auch die Bewegungen und Vorgänge in der unbelebten Natur von ihren Zielen her bestimmt seien. In aristotelischer Sicht ging es in der Natur im wesentlichen um Kräfte, die auf ein vorgegebenes Ziel hin wirkten: Pflanzen wachsen zum Licht hin, das männliche Tier sucht das Weibchen, der fallende Stein „strebt“ von sich aus nach unten auf den Boden, ja zum Erdmittelpunkt hin, eben nicht nach außen in den Himmel. Das gilt offenbar, wie Newton beobachtet haben soll, auch für Äpfel, die sich von Zweigen des Apfelbaums gelöst haben. Solches Streben ließ auch den Mond in einer gewissen Anhänglichkeit um die Erde kreisen, und in alter geozentrischer Sicht suchte auch die Sonne ihre Bahn um die Erde beizubehalten. Zwar wusste man schon seit Aristarch, und dann wieder seit Kopernikus und Kepler, dass die Erde heliozentrisch mit ihrem Mond um die Sonne kreist, aber auch dann noch wurde in theologisch-aristotelischer Sicht das Streben eines Körpers nach einem Ziel als von einer Kraft bedingt verstanden, welche von diesem Körper selbst ausging und ihn zu seinem Ziel (dem „telos“) hin führt oder wenigstens auf Ewigkeit um diesen herum. Diese Auffassung wurde von den christlichen Scholastikern übernommen und weiter tradiert, und sie galt trotz der Einwände von Descartes und Gassendi bis in Newtons Zeit weiterhin als für den christlichen Glauben akzeptabel, ja als theologisch verbindlich.

Warum konnte Newton sich von dieser überlebten Sichtweise nicht distanzieren? Die von ihm behauptete „gegenseitige Anziehung“ war ja nichts anderes als die Tendenz zweier Körper, sich gegenseitig zum Ziel ihrer Bewegungen zu machen und sich diesem Ziel zu nähern. Aber mit seiner Rede von der „Anziehung“ hatte er die von ihm selbst mathematisch so korrekt beschriebene Gravitation schließlich doch unerklärt gelassen. Warum wohl? Doch nicht aus dem simplen Grunde, dass seine Freundschaft mit dem atomistisch argumentierenden Fatio de Duillier inzwischen zerbrochen war. Newton wollte wohl eher vermeiden, mit solchem Atomismus zugleich als Atheist zu erscheinen und damit den heftigen Widerspruch seiner christlichen Umwelt zu erregen, was ja vielleicht doch noch mit Gefahren für Leib und Leben verbunden sein konnte. Immerhin war Giordano Bruno noch 1600 verbrannt worden, und 1633 ist Galileo Galilei nur mit einem schmählichen Widerruf und anschließender jahrelanger Isolierung vor diesem grässlichen Tod bewahrt geblieben. Aber zu Newtons Zeit und dort, wo er lebte und wirkte, war diese Bedrohung schon nicht mehr so akut. K. Simonyi (S. 292) äußert sich zu diesem Problem allgemeinhistorisch: „Im Besitz aller vom vorangegangenen Jahrhundert bereitgestellten geistigen Waffen konnte im 18. Jahrhundert schon zum offenen Kampf gegen die Kirche aufgerufen werden. Die Strafe der besonders exponierten Revolutionäre des Geistes konnte im ungünstigsten Falle darin bestehen, einen Fürstenhof verlassen zu müssen, um in den Dienst eines andern, konkurrierenden Fürsten zu treten“. Dennoch wollen wir dem genialen Newton seinen vorsichtigen Verzicht auf Bekundung von Wahrheit nicht nachtragen. Es war vielleicht auch nicht allein die Gefahr für Leib und Leben, sondern auch die Sorge um den eigenen Seelenfrieden, die den tiefgläubigen Newton dazu motivierte, eine mit dem christlichen Glauben inkompatible, nämlich rein „atomistische“ Erklärung der Gravitation als Stoßkraft zu vermeiden.

Man kann aber auch annehmen, dass seine Rede von der "Anziehungskraft" nicht ganz so ernst und wörtlich gemeint war, wie sie später aufgenommen wurde - falls sie in ihrem eigentlichen Wortsinn überhaupt noch so verstanden wurde. Newtons oft zitierte Äußerung "hypotheses non fingo" (ich erdichte keine Hypothesen) meinte wohl nur den Verzicht auf voreilige und wenig substantiierte Spekulationen, und auch nur solche im Bereich der Physik, während Newton in Sachen des Glaubens viel eher zu gewagten Mutmaßungen bereit war. Heute wäre Newtons Diktum in seiner Allgemeinheit nicht mehr zu rechtfertigen, denn das Aufstellen von überprüfbaren Hypothesen ist geradezu zentral für den Fortschritt jeder Wissenschaft. Wenn aber Newton nach seiner offenbar völlig korrekten mathematischen Formulierung der Gravitationsgesetze die dabei wirkenden Kräfte dennoch als „Anziehung“ bezeichnete, musste dies von seinen Zeitgenossen (und auch von uns heute noch!) als Erklärungsansatz verstanden werden, wenn auch als ein unzureichender. So kam es dazu, dass schon zu Newtons Zeit einige Wissenschaftler ihre Zweifel an der Anziehungskraft öffentlich geäußert hatten.

Auf dem Kontinent hat man die Einführung einer fernwirkenden Anziehungskraft als die fragwürdigste These der Principia von Newton angesehen (K. Simonyi, S. 306). In der Nachfolge von Gassendi und Descartes wurde diese Theorie „von Newtons Zeitgenossen – und hier haben wir vor allem die scharfsinnigsten und kritischsten Zeitgenossen wie Huygens und Leibniz im Blick -“ als Rückschritt angesehen, „mit dem die alten okkulten Qualitäten wie z.B. Affinität, Drang und Liebe wieder in die Physik hineingeschmuggelt werden sollten“ (K. Simonyi, S. 267). In der Sicht der Kritiker war eine Theorie, die verborgene („okkulte“) Fernwirkungskräfte zwischen den Körpern voraussetzte, ein Rückfall in mythische Vorstellungen. Ihnen schien offenbar die Sicht der griechischen Atomisten Leukipp und Demokrit plausibler, dass in der Natur die Körper nur durch Druck oder Stoß irgendwelche Kräfte aufeinander ausüben konnten. Nach ihrer Meinung konnte auch ein gravitativer Effekt nur durch unmittelbare Berührung und Wechselwirkung von Korpuskeln bzw. Körpern miteinander zustande kommen. Dementsprechend müsste die Ursache der Schwerkraft in zwar unsichtbaren, aber materiellen Teilchen gesucht werden, die von außen wirkend auf einen massiven Körper treffen. Viele solcher Einzelstöße könnten dann auf diesen Körper einen Teil ihrer Bewegungsenergie übertragen und damit zu seiner Gesamtbewegung beitragen, ihn etwa auch gravitativ nach unten stoßen und dadurch sein Fallen bewirken (Van Lunteren, PG 47). Insbesondere der niederländische Mathematiker, Astronom und Physiker Christian Huygens (1629 - 1695) hatte in seinen Forschungen "auf der grundlegenden kartesianischen Auffassung beharrt, dass jeder Wechselwirkung eine mechanische Berührung zugrunde liegt und dass alle Naturerscheinungen auf mechanische Prozesse zurückführbar sein müssen" (Simonyi, S. 276). Über Newtons Gravitationstheorie äußerte sich Huygens sehr kritisch: "Was die Ursache der Gezeiten betrifft, wie sie von Herrn Newton angegeben wird, bin ich (von ihr) keineswegs zufriedengestellt, ebenso wenig wie von allen anderen Theorien, die auf seinem Prinzip der Anziehung beruhen, welches mir absurd erscheint ... Und ich habe mich schon oft gewundert, wieso er sich die Mühe nehmen konnte, so viele Untersuchungen und schwierige Berechnungen anzustellen, die keine andere Grundlage haben als das genannte Prinzip".

Die Berechtigung der Bedenken von Huygens hat auch Newton anerkannt (Simonyi, S. 267), aber er hat sich darauf berufen, dass mit Hilfe der von ihm postulierten Fernwirkungskraft „die Erscheinungen der Himmel und der See“ (= der Gestirne und der Gezeiten) richtig beschrieben werden können. Auch Newton hat empfunden, dass es hier etwas zu erklären gibt; er selbst hat lange darüber nachgedacht und konnte jedoch getreu seiner Devise „hypotheses non fingo“ (ich fabriziere keine Hypothesen) keine tiefere Begründung für die allgemeine Massenanziehung angeben. Dazu ist aber kritisch zu bemerken, dass der Begriff „Anziehung“ doch schon als tiefere Begründung zu gelten hat, wenn auch als ausgesprochen okkulte! Wie Huygens hat auch G. W. Leibniz (1646 – 1716) „die Newtonschen Gedanken zwar verstanden, aber kritisiert“ und beide haben dennoch „der gewaltigen Leistung Newtons ihren Respekt nicht versagt“ (Simonyi, S. 269). Sie selber haben weiterhin versucht, das Newtonsche Gravitationsgesetz durch die Annahme zu erklären, dass der leere Raum voller Partikel sei, die durch ihre Bewegung die Schwerkraft bewirkten. Newtons Rede von der "Anziehung" konnte nicht das letzte Wort sein, denn sie reichte nicht aus, die Gravitation physikalisch zu erklären. Newton konnte zwar die Gravitation mit seinen Formeln rechnerisch eindeutig erfassen, auch mit der Möglichkeit einer zutreffenden Voraussage des vorher noch Unbekannten, so dass seiner Interpretation der Schwerkraft als „Anziehungskraft“ (vis a fronte) zunächst nicht im Wege zu stehen schien. Aber es konnte doch sein, dass diese Formeln eine ganz andere physikalische Grundlage haben, jedenfalls nicht eine der „gegenseitigen Anziehung“ von Körpern, und dass diese andere Begründung sogar zu den gleichen Newtonschen Gravitationsgesetzen führen würde!