De rijke erfenis van de

Transcriptie

1 Islamitische wetenschappers waren meer dan schatbewaarders Geschiedenis De rijke erfenis van de 98 Duizend jaar geleden ontwikkelde de islamitische beschaving de meest vooraanstaande wetenschap van dat moment. De rol van die islamitische wetenschap was méér dan het vaak genoemde veiligstellen van de antiek-griekse erfenis. In het Midden-Oosten werd wel degelijk originele wetenschap beoefend. Onze moderne wiskunde, astronomie en natuurkunde zijn voor een belangrijk deel gevormd door islamitische wetenschappers. Eric Kirchner In veel overzichtswerken over de geschiedenis van de wetenschap wordt de islamitische wetenschap hooguit marginaal besproken. Chronologisch ingeklemd tussen de antiek-griekse wetenschap en de wetenschappelijke revolutie in de tijd van Newton lijken de prestaties van de islamitische wetenschappers nauwelijks origineel. Was hun rol dan beperkt tot het vertalen van oude Griekse teksten naar het Arabisch, zodat deze teksten later weer naar Latijn konden worden vertaald? Als dat zo is, dan waren de islamitische geleerden uitsluitend schatbewaarders van de Oudgriekse erfenis. Dan hadden zij een passieve rol om te verzekeren dat Europa eeuwen later de wetenschappelijke vooruitgang kon voortzetten. Eric Kirchner (1966) studeerde af in de theoretische natuurkunde op relativistische verstrooiingstheorie bij Theo Ruijgrok, aan de Universiteit Utrecht. Zijn onderzoek aan de Vrije Universiteit Amsterdam (Evert-Jan Baerends) en fom-instituut amolf (Aart Kleijn en Elias Vlieg) leidde tot het proefschrift Quantumchemical studies on surfaces and interfaces. Na zijn promotie verrichtte hij een onderzoek aan het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu naar de effecten van niet-ioniserende straling op de volksgezondheid, en een modelleerstudie naar de financiële schade door troposferisch ozon aan de Europese landbouw. Vanaf januari 1996 werkt hij als quantumchemicus en research-fysicus voor een chemische onderneming, en onderzoekt hij nu de optica van autolakken. Maar historisch onderzoek van de laatste decennia [1 3] toont aan dat de islamitische wetenschappers wel degelijk zelf veel belangrijke bijdragen hebben geleverd die cruciaal waren voor de wetenschap. In dit artikel zal ik mij beperken tot een aantal belangrijke bijdragen aan de moderne astronomie en natuurkunde. De islamitische context Van de achtste tot en met de veertiende eeuw bevond het islamitische rijk zich op een hoogtepunt. Arabische, Indiase, Perzische en Byzantijnse culturen werden in dit rijk geïntegreerd en datzelfde gold voor de wetenschappelijke tradities van al die volken. Niet alle wetenschappers in dit rijk waren islamitisch, zeker de eerste eeuwen niet. Maar omdat de islamitische cultuur de gemeenschappelijke cultuur vormde, worden de verrichtingen van deze wetenschappers aangeduid als islamitische wetenschap. Gedurende al deze eeuwen was de islamitische wetenschap de meest geavanceerde in de wereld. Aanvankelijk beschouwden deze wetenschappers zichzelf niet als ontdekkers van nieuwe wetenschap, maar als herontdekkers van de antiek-griekse wetenschap. Maar toen in de tiende eeuw de belangrijkste Griekse teksten vertaald waren, veranderde deze houding. De islamitische geleerden gingen naar inconsistenties in de oude wetenschap zoeken en ze formuleerden en bewezen nieuwe theorieën. Bovendien voegden ze een nieuw ingrediënt toe aan delen van de natuurkunde: het experiment als bewijs van een theorie. Astronomie De hellenistische Griek Claudius Ptolemeus (Alexandrië, circa n.c.) ontwierp een invloedrijk model voor het planetenstelsel (figuur 1). In het Ptolemeïsche planetenstelsel staat de aarde in het midden en daaromheen draaien zon, maan en planeten in cirkels. Bij nauwkeurig waarnemen blijken deze hemellichamen echter hun baan niet met een constante snelheid te volgen. Om de snelheidsvariatie te beschrijven bracht Ptolemeus drie aanpassingen aan in het model. De excenter plaatste de aarde op enige afstand buiten het midden van de cirkelbanen. De hoeksnelheid van de hemellichamen was niet uniform ten opzichte van het cirkelmiddelpunt (of de aarde), maar ten opzichte van een ander punt, de equans. En hemellicha- Figuur 1a Planeetmodel volgens Ptolemeus. Letters duiden op equans (E), centrum van de deferent (D) en aarde (A), terwijl het vierkantje de positie van een buitenplaneet voorstelt. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde maart 2006

2 islamitische wetenschap men bewogen niet werkelijk over de cirkelbanen, maar in een kleinere cirkelbaan (epicycloïde) waarvan het middelpunt over de grote cirkel (deferent) bewoog. Door voor elk hemellichaam geschikte numerieke waarden te kiezen voor de excenter- en equans-afstand, en de epicycloïde- en deferentstraal, konden de waargenomen bewegingen van al deze hemellichamen eeuwenlang goed beschreven worden. De islamitische astronomen legden zich er daarom aanvankelijk op toe om steeds nauwkeuriger de Ptolemeïsche fitparameters te bepalen. Hiervoor ontwikkelden zij een steeds geavanceerder instrumentarium, en deden zij steeds langduriger en nauwkeuriger waarnemingen aangaande de posities van de hemellichamen. Op deze manier vonden zij zeer nauwkeurige waarden voor de precessie, de helling van de ecliptica, de lengte van het jaar en van de seizoenen. De getabelleerde waarnemingsresultaten met soms meer dan waarnemingen werden gepubliceerd en vonden vaak een brede verspreiding. Figuur 1b Gekoppelde cirkelbeweging volgens al-tusi, waarmee de onfysisch geachte equans overbodig werd gemaakt. De astronomische observaties werden steeds grootschaliger georganiseerd. Het waren dan ook islamitische astronomen die de eerste werkelijke astronomische observatoria ter wereld stichtten, compleet met instrumentarium, gebouwen, een uitgebreide bibliotheek en een vaste internationale staf van geleerden. Zo werd in de dertiende eeuw in Maragha, in Iraans Azerbeidzjaan, een observatorium gesticht op bevel van een kleinzoon van Djengis Khan. In dit observatorium werkten circa twintig astronomen en wiskundigen, afkomstig uit Spanje tot aan China. We vinden een vrijwel ononderbroken ontwikkeling in de astronomische observatoria van Damascus (negende eeuw), via die van Rayy (Iran), Caïro, Maragha en Samarkand (Oezbekistan, figuur 2) tot aan die van Istanboel (zestiende eeuw) [4]. En deze laatste had weer een grote invloed op de observatoria die vanaf de zestiende eeuw in Europa werden gebouwd. Zo komt het instrumentarium waar Tycho Brahe ( ) over beschikte in grote mate overeen met dat van Istanboel. Verschillende tekstboeken melden Tycho Brahes overtuiging dat astronomische vooruitgang alleen mogelijk was door jarenlange nauwkeurige observaties, met een tot dan toe ongeëvenaarde nauwkeurigheid. Hoewel dit waar is, geldt hetzelfde voor bijvoorbeeld de in diezelfde boeken zelden genoemde astronomen van het Maragha-observatorium drie eeuwen vóór Tycho Brahe. Ook zij wisten met een tot dan toe ongeëvenaarde nauwkeurigheid de posities van hemellichamen te bepalen, in observatiecampagnes die soms meer dan dertig jaar duurden. Hoe onheus zijn dan ook de vaak herhaalde woorden dat Tycho Brahe de grootste astronomische waarnemer sinds Hipparchus was. Dit is vergelijkbaar met een mededeling dat Einsteins algemene relativiteitstheorie de beste Figuur 2 Deze meridiaanboog van veertig meter diameter in het astronomisch observatorium van Samarkand (Oezbekistan) werd zeshonderd jaar geleden gebruikt om de hoek van hemellichamen boven de horizon nauwkeurig te bepalen. [Bron: M. Nazarov, Advantour, Tasjkent, Oezbekistan, zwaartekrachtstheorie is sinds die van Aristoteles. Ook op theoretisch terrein maakten de islamitische astronomen grote vorderingen. Al in de tiende eeuw formuleerde Ibn al-haytham (Basra/Caïro, ) een lijst met zestien problemen van het Ptolemeïsche planeetmodel. In de twaalfde eeuw kwam in Andalusië een beweging op van astronomen die het Ptolemeïsche model niet konden rijmen met de Aristotelische fysica. Deze kritiek leidde ook tot nieuwe planeetmodellen die werkelijk afweken van het Ptolemeïsche wereldbeeld, zoals ontwikkeld door bijvoorbeeld Nasir al-din al-tusi (Bagdad, ) en Ibn al-shatir (Damascus, 1375) [4]. Centraal in deze modellen stond de onvrede over de equans in het Ptolemeïsche model. Deze houdt 99 maart 2006 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

3 100 Figuur 3 Planeetmodel volgens Copernicus, zoals tegenwoordig meestal geïllustreerd. In werkelijkheid bevatte Copernicus model ook het Tusi-koppel van figuur 1b. namelijk in dat de planeetsferen draaien om een as die niet door het middelpunt van de cirkelvormige sfeer gaat. Dit maakt het Ptolemeïsche model onfysisch. Ptolemeus was zich van dit aspect zeker bewust, maar accepteerde het omdat hij zijn model niet als een model van de fysische werkelijkheid zag, maar uitsluitend als een wiskundig model om waarnemingen nauwkeurig te voorspellen. Voor de astronomen van het Maraghaobservatorium was dit echter onbevredigend. Zij streefden namelijk steeds duidelijker naar een astronomie die in een wiskundige taal het gedrag van fysische hemellichamen beschrijft. Vanuit dat perspectief is vooral de equans in Ptolemeus theorie onverteerbaar. Ook voor Copernicus ( ) was het in de eerste plaats onvrede over de equans die hem tot zijn nieuwe model voor het planetenstelsel bracht (figuur 3). Onderzoek in de jaren vijftig van de vorige eeuw, door Neugebauer en anderen, heeft aangetoond dat Copernicus voor de ontwikkeling van zijn nieuwe theorie niet voldoende had aan de oude Griekse wiskunde. Twee extra mathematische stellingen waren daarvoor nodig, die Copernicus in zijn werk wel gebruikt maar niet uitlegt of bewijst. Nader onderzoek toonde aan dat deze twee stellingen al twee eeuwen vóór Copernicus werden geformuleerd en bewezen. Het betreft het Tusi-koppel en het Urdi-lemma. Het Tusi-koppel beschrijft hoe een lineaire harmonische beweging het resultaat kan zijn van twee gekoppelde cirkelbewegingen met ongelijke straal (zie figuur 1). Zo kan een Tusi-koppel gebruikt worden om van de onfysische equans in het Ptolemeïsche model af te komen, zonder daarvoor de nauwkeurigheid van dat Ptolemeïsche model op te offeren. Nadat al-tusi (figuur 4) de stelling had geformuleerd en bewezen, raakte deze breed verspreid onder islamitische astronomen. De meesten namen daarna het Tusi-koppel op in hun model en datzelfde geldt dus ook voor Copernicus (het is inmiddels aangetoond dat een manuscript met deze stelling ook Italië heeft bereikt, vóór Copernicus daar enige jaren woonde). Copernicus is dan ook wel omschreven als de laatste en zeker de bekendste representant van de Maragha-school. Copernicus laatste stap, waarin hij de zon en niet de aarde in het centrum van het heelal plaatste, werd door de islamitische astronomen niet gezet. Maar de fysicus/astronoom al-biruni (Ghazna Perzië, ) overwoog echter wel of een heliocentrisch systeem te verkiezen was boven het Ptolemeïsche geocentrische model, en zelfs overwoog hij elliptische planetenbanen. Maar al-biruni s terechte conclusie was dat op basis van de nauwkeurigheid van astronomische voorspellingen er geen keus gemaakt kon worden tussen de verschillende modellen, en dat een zinvolle keuze alleen gebaseerd zou kunnen zijn op fysische overwegingen. Dit weerhield Copernicus er vijf eeuwen later niet van om toch de zon in het middelpunt te plaatsen, ook al zou ook toen de fysische rechtvaardiging nog lang op zich laten wachten, in de vorm van Newtons gravitatietheorie. Copernicus kon net zo min als al-biruni aangeven waaróm de planeten dan om de zon draaiden. Maar afgezien van het heliocentrisme is het model van Copernicus identiek aan dat van al-shatir anderhalve eeuw daarvoor en leveren beide modellen dus even nauwkeurige voorspellingen op voor de bewegingen van de hemellichamen. Optica In de Oudgriekse en hellenistische tijd werd een scala aan filosofieën en theorieën ontwikkeld op het gebied van Figuur 4 Nasir al-din al-tusi ( ) was behalve oprichter van het observatorium van Maragha ook de bedenker van een mechanisme om van de equans in de Ptolemeïsche hemelmodellen af te komen. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde maart 2006

4 Figuur 5 Model nagebouwd volgens de beschrijving van Ibn al-haytham, die met deze opstelling experimenteel het verband onderzocht tussen hoek van inval, hoek van refractie, en hoek van ombuiging. [Bron: prof. F. Sezgin, Institut für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften, Frankfurt, Duitsland, licht en zien. Hoewel elk van deze benaderingen een deel van het probleem leek te verklaren, waren de onderlinge tegenstrijdigheden zo groot dat een overkoepelende theorie onmogelijk leek. Zo had Euclides een boek met de titel Optica geschreven, waarin hij dezelfde aanpak hanteerde als in de geometrie. Euclides poneerde een aantal axioma s, bijvoorbeeld dat licht zich rechtlijnig voortbeweegt, en dat licht afkomstig is uit het oog en naar objecten reist (extramissie). Uit dergelijke axioma s leidde Euclides een geometrische theorie af. Aristoteles was juist van intramissie uitgegaan, dus dat licht van objecten naar het oog reist, en hij besprak de filosofische aard van licht en kleur zonder daar wiskundige analyse bij te betrekken. Galenus (Pergamon, ) bestudeerde juist vooral de anatomie van het oog en de fysiologie van het zien. Van de islamitische geleerden was het vooral Ibn al-haytham (Basra/Caïro, ) die zich op deze problematiek stortte [5]. Al-Haytham wist de bovengenoemde tegenstrijdigheden ingenieus op te lossen. Het lukte hem met name om de wiskundige machinerie die Euclides voor lichtverschijnselen had opgezet te combineren met Aristoteles intramissie. Deze gecombineerde theorie beschreef volgens al-haytham het gedrag van licht als een onafhankelijk fysisch fenomeen, tot daar waar het de lichtgevoelige onderdelen in het oog treft. Om tot een visuele perceptie te kunnen leiden, moesten de visuele signalen nog door zenuwen naar het brein worden geleid om daar verder verwerkt te worden. Deze opdeling van het zien in een puur fysisch-optisch deel en een fysiologisch deel is een vondst van al-haytham die nog steeds gevolgd wordt. Voor al-haytham stond het vast dat er alleen een zinvol visueel signaal kon ontstaan als er een een-op-een relatie bestond tussen punten op het object en punten in het visuele veld binnen in het oog. Deze relatie moest volgen uit refractie van lichtstralen. Met deze door hem geformuleerde uitgangspunten kan al-haytham de eerste moderne opticus genoemd worden. Dat niet al-haytham maar zes eeuwen later Kepler de moderne theorie van het visueel waarnemen formuleerde, kan niet geweten worden aan deze uitgangspunten. Kepler ging namelijk van precies dezelfde uitgangspunten uit, en beschouwde al- Haythams werk dan ook als fundament voor zijn eigen werk. Het grootste verschil tussen al-haythams en Keplers theorie is dat de eerste uitging van het in zijn tijd onweerlegbaar geachte experimenteel bewijs dat de lichtgevoelige delen van het oog in de oogbol zijn gevestigd en niet in het netvlies. Met al-haytham vinden we ook een eerste representant van wat vaak de mo- Figuur 6 Model nagebouwd van het experiment waarmee al-farisi de regenboog verklaarde. Het licht valt van links binnen op de ronde transparante schijf die een regendruppel representeert. Na tweemaal refractie en eenmaal reflectie wordt linksonder een spectrale regenboog zichtbaar. [Bron: prof. F. Sezgin, Institut für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften, Frankfurt, Duitsland, maart 2006 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

5 102 Figuur 7 Standbeeld voor Oeloegh Beg ( ), wiskundige en astronoom uit het tegenwoordige Oezbekistan. Deze kleinzoon van de Mongoolse veroveraar Timoer Lenk stichtte een astronomisch observatorium in Samarkand, en publiceerde diverse werken over trigonometrie en astronomie. [Bron: O. Allison, Rice University, Verenigde Staten] derne wetenschap wordt genoemd. In zijn boek over optica gebruikt hij namelijk wiskundige analyse overal waar dat mogelijk lijkt. Maar tegelijkertijd legt al-haytham veel nadruk op experimenten. Hij neemt expliciet afstand van de axiomatische aanpak van Euclides, omdat hypotheses altijd getest moeten worden met experimenten, en verworpen moeten worden indien de experimentele resultaten dat aangeven. Ook verwierp al-haytham de methodiek van Ptolemeus, die als eerste een experimentele vorm van optica had bedreven. Ptolemeus gebruikte namelijk experimentele resultaten alleen om eerdere hypotheses te ondersteunen en hij liet experimentele resultaten weg wanneer ze de hypotheses niet ondersteunden. Al-Haytham liet zich over een dergelijke handelwijze zeer negatief uit. Ibn al-haytham deed uitgebreide experimenten naar bijvoorbeeld propagatie, reflectie en refractie van licht (figuur 5). Ook ontdekte hij sferische aberratie. Al-Haytham gebruikte ook enkele redeneringen en analogieën waarvoor vaak ten onrechte de primeur aan Descartes (zes eeuwen na al-haytham) wordt gegeven. Zo vergeleek hij lichtreflectie met het botsen van bolletjes aan harde of zachte oppervlakken, en verklaarde hij hoe licht bij de overgang naar een dichter medium naar de normaal toe breekt door te veronderstellen dat de lichtsnelheid in dat dichtere medium kleiner is. De optica van al-haytham kreeg een enorme invloed in het westen. Maar ook in het oosten. Kamal al-din al-farisi (Maragha, ) bestudeerde al-haythams werk uitgebreid met als doel het ontstaan van regenbogen te verklaren. Volgens Aristoteles ontstonden regenbogen wanneer licht reflecteerde aan minuscule regendruppels. De verschillende kleuren zouden daarbij het resultaat zijn van differentiële verzwakking van de lichtstralen. Al-Farisi liet zich echter inspireren door al-haythams werk over lichtrefractie, en besloot de interactie van licht met regendruppels experimenteel te onderzoeken (figuur 6). Daarvoor vulde hij een glazen bol met water, hing deze op in een donkere kamer en liet daar een bundel licht op vallen. Hierbij varieerde hij de hoek van inval. Al-Farisi wist daarmee aan te tonen dat de primaire regenboog het resultaat is van tweemaal refractie en één reflectie, terwijl de secundaire regenboog ontstaat door twee refracties en twee reflecties. Dit verklaarde ook de omkering van de kleurenvolgorde in beide bogen. Ongeveer tegelijkertijd voerde in het westen Theodore van Freiburg (Freiburg, ) dezelfde experimenten uit. Ook hij baseerde zijn werk op dat van al-haytham, en hij kwam tot dezelfde conclusies als al-farisi. Hiermee waren belangrijke stappen in het verklaren van de regenboog gezet. De volledige verklaring, inclusief spectrale dispersie en het verklaren van de hoek waarbij de regenboog optreedt, zou pas in 1637 door Descartes gegeven worden. Andere doorbraken In dit artikel zijn enkele resultaten besproken van islamitische wetenschappers op het gebied van astronomie en optica. Maar ook op andere fysische terreinen werd een indrukwekkende vooruitgang geboekt [1 3]. Zo publiceerde al-khazini (Merv, circa 1120) een boek met zeer nauwkeurig gemeten soortelijk gewichten van vijftig materialen. En in de tiende tot twaalfde eeuw ontwikkelden Avicenna ( ) en Abu l Barakat (1164) een dynamica van vallende voorwerpen met daarin een concept dat sterk vergelijkbaar is met impetus (de voorloper van het moderne begrip impuls). Ook de ontwikkelingen in de wiskunde mogen niet onvermeld blijven, zoals de ontwikkeling van de trigonometrie (figuur 7) en de algebra, met talloze regels en inzichten die tegenwoordig voor de middelbare scholier verplichte stof (zouden moeten) zijn. Ongetwijfeld liggen er meer ontdekkingen van islamitische geleerden op historici te wachten. Immers, het overgrote deel van de manuscripten die samen de overblijfselen vormen van de islamitische wetenschap ligt nog onvertaald te wachten in bibliotheken van bijvoorbeeld Teheran, Caïro en Leiden. Enkele conclusies De opsomming in dit artikel zal het de lezer duidelijk maken hoe kortzichtig de uitspraak was van de eminente fysicus-historicus Pierre Duhem, die aan het begin van de twintigste eeuw verkondigde: Er bestaat geen Arabische wetenschap. De wijze mannen van het mohammedanisme waren altijd de min of meer getrouwe volgelingen van de Grieken, maar henzelf ontbrak het aan iedere vorm van originaliteit. Resulta- Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde maart 2006

6 ten van historisch onderzoek hebben Duhems ongelijk al decennia geleden aangetoond, maar helaas is Duhems visie nog steeds te vinden in veel recente overzichtswerken. De islamitische rol binnen de wetenschap was dus niet beperkt tot het doorgeven van de resultaten van de oude Griekse wetenschap. De islamitische wetenschappers beoefenden op een originele manier wetenschap, brachten als eerste werkelijk de experimentele methode binnen een aantal gebieden van de natuurkunde (optica, materialenleer, astronomie). Hiervoor ontwikkelden zij instrumenten met ongekende nauwkeurigheid. Ook zetten zij belangrijke stappen in de mathematisering van gedeelten van de fysica. Juist het gebruik van de experimentele methode en van de wiskunde worden vaak genoemd als de geniale bijdragen van bijvoorbeeld Tycho Brahe, Kepler en Newton, en zijn in feite de hoofdbestanddelen van de wetenschappelijke revolutie in de zeventiende eeuw. Maar deze noviteiten kwamen niet uit de lucht vallen. Het was geen creatio ex nihilo van de zestiende- en zeventiendeeeuwse fysici, maar een werkmethode die in de eeuwen daarvóór door islamitische wetenschappers langzaam vorm had gekregen. Referenties 1 F. Sezgin, Wissenschaft und Technik in Islam, Band I, (J.W. Goethe-Universität, Frankfurt am Main, 2003). 2 D.R. Hill, Islamic Science and Engineering (Edinburgh University Press, 1993). 3 T.E. Huff, Arabic Science, in: A. Hessenbruch (Ed.) Reader s Guide to the History of Science (Fitzroy Dearborn Publishers, 2000). 4 E.S. Kennedy, Late Medieval Planetary Theory, Isis 57 (1966), D.C. Lindberg, Theories of vision from al-kindi to Kepler (University of Chicago Press, 1976). 103 maart 2006 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde