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van der
Ausgleichspunkt,
"Methode der Perser" und
indische Planetenrechnung
In:
Archive
for History of Exact Sciences
1 - 1960/62 - p.
y
:
?
|
IA TADEO SL
sv à.
D332
Asér
* BL VANDER Waikbin: Ausgleichspunki, Methode der Perser und indische
Planetenrechnung. Archive Hist. Exact Ser 1 (1961) p. 107-121.
Up lors
Page 2
View in PDF(opens in a new window)Ausgleichspunkt, „Methode der Perser“
und indische Planetenrechnung
Zusammenfassung
Bekanntlich läßt ProLemalos in seiner Planetentheorie den Epizykelmittelpunkt
so auf einem Exzenter laufen, daß die Bewegung, von einem Ausgleichspunkt G aus
gesehen, gleichmäßig erscheint. Ist E die Erde, so liegt der Fxzentermittelpunkt
Z
jeweils in der Mitte der Strecke EG. Eine Begründung dieser Hypothese gibt
PTOLEMAJOS nicht. Wo hat er sie her?
In der indischen Astronomie ist eine Methode zur Berechnung der Mittelpunktsgleichung der Planeten üblich, die ebenfalls’chne Begründung in den Handbüchern
steht. Bei dieser Methode werden.die beiden Korrekturen — / und z, die zur mittleren
Länge zu addieren sind, zunächst vorläufig berechnet und halbiert; die Hälften
werden zur mittleren Länge addiert und dann erst werden die definitiven Korrekturen
— f und z berechnet. Wiederum fragt es sich, wo die Autoren diese Methode her haben.
Wir werden nachweisen, daß sich die indische Rechenvorschrift als gute Näherung
Techtiertigen läßt, wenn man den Ausgleichspunkt G genau so annimmt, wie
Proremaios es tut. Um also sowohl das Auftreten dieser Hypothese bei PTOLEMAIOS
als auch die indische Rechenvorschrift zu erklären, braucht man nur anzunehmen,
daß die Vorgänger des Protemaros jene Hypothese bereits aufgestellt und daraus
die erwähnte Näherungsmethode hergeleitet haben. Als Urheber der Hypothese und
der Rechenmethode kommt von allen uns bekannten Astronomen nur APOLLONIOS
v. PERGA in Betracht.
_
APOLLONIOS lebte 200 vor Chr., ARYABHATA 500 nach Chr.
Als Zwischenglied
zwischen der hellenistischen und der indischer: Astronomie und Astrologie ist Persien
anzunehmen. In der Tat finden wir eine zur indischen Methode áquivalente Rechenvorschrift mit einer kleinen Vereinfachung in den Taieln des Arabers AL-KHWARIZMI,
und arabische Autoren versichern uns, daß dieser die Methode von den Persern hat.
Die Quelle des KHWARIZMI ist wahrscheinlich der SHAH z1], eine arabische Übersetzung eines persischen Tafelwerkes.
Siehe dazu E. S. KENNEDY
Y,
§ 1. Der Ausgleichspunkt bei Ptolemaios
Sehen wir von Merkur ab, dessen Bewegung komplizierter ist, so bewegen
sich die vier übrigen Planeten bei PTOLEMAIOS alle nach demselben Schema.
Der Epizykelmittelpunkt M läuft auf einem exzentrischen Kreis, dessen Mittelpunkt Z in der Mitte der Strecke EG liegt.
In E befindet sich die Erde und G
ist der Ausgleichspunkt (punctum aequans), von dem aus gesehen die Bewegung
des Punktes M gleichmäßig erscheint. Der Planet P läuft so auf dem Epizykel,
daß die Richtung MP sich ebenfalls gleichmäßig dreht (Fig. 1).
* Kennepy, E. S.: Trans. Amer. Philos. Soc. 46, 123, und 3. Amer. Orient. Soc.
.
Arch. Hist. Exact Sci., Vol. 4
Page 3
View in PDF(opens in a new window)Wie PTOLEMAIOS zur Annahme des Ausgleichspunktes kam, sagt er nicht.
Er sagt nur (Syntaxis IX 5, p.251
HEIBERG): „Wir fanden bei fortgesetzter
genauer Anpassung und Vergleichung des von Fall zu Fall durch die Beobachtung
festgestellten Laufs mit dem aus der Kömbination beider Hypothesen (nämlich
der Epizykel- und Exzenterhypothese) sich ergebenden Leitpunkten, daß der
Verlauf der Bewegung nicht ganz so einfach sein könne.
Erstens ... Zweitens
fanden wir, daß die Mittelpunkte der Epizykel auf Kreisen umlaufen, die zwar
gleich groß sind wie die Exzenter, welche die Anomalie bewirken, aber nicht
um dieselben Zentren beschrieben werden... Vielmehr liegen bei den anderen
Planeten
(außer Merkur) diese Zentren in den Halbierungspunkten (Z)
|
der
Strecken, zwischen den Mittelpunkten
jener Exzenter und dem Mittelpunkt‘
der Ekliptik.‘
Mit dem ‚Mittelpunkt der Ekliptik‘‘
ist der Punkt E gemeint, in dem sich
der Beobachter befindet. Der Erdradius
kann, verglichen mit den Entfernungen
der Planeten, vernachlässigt werden; der
Punkt E liegt also praktisch im Mittelpunkt der Erde. Der Ausgleichspunkt G
ist
bei
ProLEMAIOS
als Mittelpunkt
eines Kreises gedacht, der gleich groß
ist.wie der um
Z beschriebene Kreis und
Fig. 1
‘dessen Radius sich gleichmäßig um G
dreht. Dieser. Kreis um G, der in der
Figur nicht eingezeichnet ist, heißt bei PTOLEMAIOS ,,der Exzenter, welcher die
Anomalie bewirkt‘‘. Der Epizykelmittelpunkt M läuft auf dem um Z beschriebenen exzentrischen Kreis.
Der letzte Satz bei PTOLEMAIOS besagt, daß Z in
der Mitte der Strecke EG liegt. Die Verlängerung dieser Strecke geht natürlich
durch das Apogeum A des exzentrischen Kreises.
In anderen Fällen, wo PTOLEMAIOS die Hypothesen seiner Vorgänger geändert
hat, gibt
er eine ausführliche Begründung seiner eigenen Hypothese, in diesem
Fall aber nicht. Er hat nach seinen eigenen Worten zuerst versucht, die beobachtete Planetenbewegung durch eine Kombination von Epizykel und Exzenter
mit gleichmäßiger Bewegung des Epizykelmittelpunktes auf dem Exzenter darzustellen, aber als das nicht gelingen wollte, ist er anscheinend gleich dazu übergegangen, den Mittelpunkt Z in der Mitte der Strecke EG anzunehmen,
Es
fragt sich, wo er diese Hypothese her hat. Hat er sie vielleicht von einem Vorgänger übernommen ?
.
.§2, Die Vorgänger des Ptolemaios
Jedenfalls hat ProLeMAIOs Vorgänger gehabt, welche die Erscheinungen durch
die Annahme von Epizykeln oder Exzentern „oder wohl gar unter Kombination
beider Kreisarten” erklären wollten, ,,wobei so und so-groB die auf die Ekliptik bezogene Anomalie, so und so groß die im Verhältnis der Sonne eintretende
Anomalie angenommen wurde‘ (Syntaxis IX 2, p.211 Hrieerc).
Von diesen
Leuten, die „an Hand der sog. ‚Tafeln für ewige Zeiten‘ die gleichförmige Be-
Page 4
View in PDF(opens in a new window)wegung auf Kreisen nachweisen wollten‘, spricht ProLemaios ziemlich abschätzig: ,,Sie steilten es grundfalsch an und blieben die Beweise schuldig, so
daß die einen das gesteckte Ziel überhaupt nicht, die anderen wenigstens einigermaßen erreichten.‘ Sie versäumten „an der Hand klarer und einwandfreier Erscheinungen den zahlenmäßigen Betrag beider Anomalien und den mittleren
Lauf der Planeten nachzuweisen und dann wieder, ohne beide zu scheiden,
Lage und Reihenfolge der Kreise ausfindig zu machen ...”.
Uns interessieren hier besonders diejenigen Astronomen vor PTOLEMAIOS, die
durch Kombination von Epizykeln und Exzentern unter Annahme bestimmter
zahlenmäßiger Beträge der Exzentrizitäten und der Epizykeiradien ,,das gesteckte Ziel wenigstens einigermaßen erreichten‘“.
Ich nehme an, daß diese Astronomen bereits trigonometrische Methoden
benutzten.
Ohne Trigonometrie ist
es nämlich fast. unmöglich, aus den Beobachtungen die Exzentrizitäten und Epizykelradien zu ermitteln und umgekehrt
aus diesen Elementen und den mittleren Bewegungen Planetenpositionen zu
.berechnen.
Eine solche trigonometrische Astronomie, die auf der Annahme von Epizykeln
und Exzentern beruht und die zwar weniger genau ist als die Theorie des PTOLEMAIOS, aber doch ‚das gesteckte Ziel einigermaßen erreicht“, finden wir bei den
indischen Astronomen der „dritten Periode' 1, die um 500 nach Chr. mit ARYABHATA beginnt.
Die meisten Forscher nehmen an, daß diese trigonometrische
Astronomie letzten Endes auf die griechische zurückgeht, aber nicht auf PTOLEMAIOS, sondern auf dessen Vorgänger.
Vergleichen wir nun die Art, wie PTOLEMAIOS eine Planetenposition berechnet,
mit der Rechenweise der indischen Astronomen und sehen zu, ob wir so etwas
wie eine Halbierung der Strecke GE auch bei diesen entdecken können.
$ 3. Die Rechenweise des Ptolemaios
Kennt man die mittlere Bewegung eines Planeten und der Sonne, so kann
man für jeden Zeitpunkt¢ die Winkel
x= AGM und y= BMP, die sich gleichmäßig mit der Zeit ändern, berechnen (Fig. 1).
Der Radius ZM kann gleich 1
angenommen werden. Ist nun die Exzentrizität EZ=ZG=e bekannt, so kennt
man im Dreieck ZGM zwei Seiten ZM und ZG und den Winkel bei G, also
kann man den Winkel f, bei M nach der Sinusregel
(4)
sn},
= esin
x
berechnen. Der Winkel bei Z ist dann
(2)
w= x—f,.
Im Dreieck ZME kennt -man nun zwei Seiten und den eingeschlossenen
Winkel. Um die dritte Seite EM und die übrigen Winkelf, und x, zu berechnen,
fällt PTOLEMAIOS auf die gegenüberliegende Seite das Lot EF und berechnet
zuerst die Seiten des rechtwinkligen Dreiecks EFZ.
Im. Dreieck EFM sind
nun die beiden Katheten bekannt; man kann also nach PYTHAGORAS die Hypotenuse EM=R und dann den Winkel /, berechnen.
(3)
Atha?
Die Summe
1 Siehe G. THIBAUT, Art. , Astronomie‘ im GrundriB der indo-arischen Philologie.
Page 5
View in PDF(opens in a new window)ist die „Mittelpunktsgleichung‘‘, die man von x zu subtrahieren hat, um den
Winkel x, bei E zu erhalten:
=
fp x—f—fp=x—}.
Um die Richtung EP zum Planeten zu erhalten, muß man noch eine zweite
Korrektur z anbringen. Sie wird aus dem Dreieck EMP berechnet,in dem jetzt
die beiden Seiten EM=R und MP=r (Epizykelradius) bekannt sind.
Der
Außenwinkel bei M ist y--/, wobei y sich gleichmäßig mit der Zeit ändert und
f aus der vorigen Rechnung bekannt ist.
im Dreieck EMP kennt man also
zwei Seiten und den eingeschlossenen Winkel und man kann den Winkelz wie
‘vorhin berechnen.
Die Berechnung der zweiten Korrekturz verläuft bei den indischen Astronomen genau so, nur daß R durch 1 ersetzt wird, was besonders bei Mars eine
schlechte Näherung ist.
Die Berechnung der ersten Korrektur / ist aber bei
den indischen Astronomen viel einfacher.
Wenn die indischen Astronomen ihre
Methoden von den Griechen vor PTOLEMAIOS übernommen haben, so müssen
auch diese Näherungsmethoden gehabt haben, die einfacher waren als die exakte
Rechnung nach PTOLEMAIOS und mit denen sie ihr Ziel „einigermaßen erreichten”.
§ 4. Näherungsformel für f
Von der zweiten Korrektur z sehen wir zunächst einmal ab. Wir wollen eine
bequeme Näherung für / suchen. Die Exzentrizitát e kann bei allen Planeten als:
so klein gegen 1 angenommen werden, daß Glieder mit e? zu vernachlässigen sind.
. Die Sinusregel, auf das Dreieck ZEM angewandt, ergibt
(a)
sin fa = esin (x, — jo).
In dieser Gleichung kommt der unbekannte Winkel /, links und rechts vor.
Nun unterscheidet /, sich von f, nur in der Größenordnung e?. Ersetzt man also
rechts /, durch /,, so macht man auf der rechten Seite nur einen Fehler von der
Größenordnung e?. In dieser Näherung erhält man
(5)
sin fa = esin(x, — A) =esin(x — 2j).
In (4) und (5) kann man die Sinus der kleinen Winkel}, und /, durch die
Bogen ersetzen. Der Fehler dieser Näherung ist ebenfalls nur von der Größenordnung e°.. So erhält man, wenn alle Winkel in Bogenmaß gemessen werden:
(6)
|
fi=esina,
(7)
2h),
—(x
fa= esin
alsc
{= ht fy
(8)
im + sin — 24).
Die Summe der beiden Sinus kann man, wieder mit einem Fehler der Größenordnung e?, durch 2sin (x — },) ersetzen. So erhält man die ganz einfachen Formein
(9)
A=esinx,
j= 2esin(x —f),
Page 6
View in PDF(opens in a new window)Diese Formeln kann man so deuten,
Mit dem Argument x bildet man die.
vorläufige Mittelpunktsgleichung 2/,=26sinx. Die Hälfte davon, also f,, zieht
man von x ab. Mit dem Argument x — /, bildet man die definitive Mittelpunktsgleichung (10) und zieht sie wieder von x ab. So erhält man bis auf Glieder
von der Größenordnung e den richtigen Winkel AEM=x,.
85. Die Halbierung der Mittelpunktsgleichung bei den indischen Astronomen
Eine Rechenvorschrift, die den Formeln (9) bis (11) entspricht, findet sich
bei den indischen Astronomen der dritten Periode, nämlich bei ARYABHATA®,
bei BRAHMAGUPTA® und im Surya-Siddhánta%
Im, Khandakhädyaka des
BRAHMAGUPTA (übersetzt von P.C. SENGUPTA, Calcutta 1940) lautet die Vorschrift so:
11 18. “To the mean planet apply half the Sighra equation; from the planet
thus corrected, calculate the equation of apsis, and apply half of it to the corrected
mean planet. For the mean planet as corrected for the second time calculate the
equation of apsis and apply the whole of it to the mean planet with which the
calculation began. From the planet, thus corrected, calculate the Sighra equation
and apply the whole of it to the last corrected planet.”
Um diese Vorschrift zu verstehen, muß man wissen, daß “the equation of
apsis” die Mittelpunktsgleichung / ist, und “the Sighra equation” die Korrektur z,
die am Schluß noch zur Länge des Epizykelmittelpunktes M addiert werden
muß um die Länge des Planeten P zu erhalten.
Diese Korrektur
z ist, wie es
nach der Fig.1 auch sein soll, eine Funktion des Argumentes p-+/ oder des *
Winkels CMP. Wir schreiben also
2=p(y+/).
Die Funktion y wird im Khandakhädyaka für jeden einzelnen Planeten durch
eine besondere Tabelle definiert.
Die Tabelle beruht auf der Trigonometrie des
Dreiecks EM P, wobei die Seite EM, wie schon erwähnt, gleich 1 angenommen
wird.
Die indische Rechenvorschrift verlangt nun, daB zunächst mit dem Argument
y ein vorläufiger Wert der Sighra-Gleichung
12)
20 =p (y)
gebildet werden soll. Die Hälfte davon, also $29, ist zur mittleren Länge des
Planeten, also auch zum Argument x zu addieren. Mit dem Argument x+1z,
"bildet man nun die vorläufige Mittelpunktsgleichung fo: .
(13).
|
h=g(+3%).
wobei q eine gegebene Funktion ist.
Diese Funktion y berechnet man nach
Khand. IT 7 für jeden Planeten aus der Mitteipunktsgleichung der Sonne durch
2 CLARK, W, E.: The Aryabhatiya of ARYABHATA, S. 60, Kap. III 23. Chicago 1930.
® BRAHMAGUPTA: Brahma-Sphuta-Siddhanta II 40; Khandakhadyaka, II 18 (ed.
SENGUPTA). Calcutta 1941.
4 Süryasiddhänta 11 44; Übersetzung von Burcess, J. Amer. Orient. Soc. 6.
Page 7
View in PDF(opens in a new window)Multiplikation mit einer Konstanten. Die Mittelpunktsgleichung der Sonne wird
ihrerseits durch eine Tabelle geliefert, die nach der Formel
},=
sin a,
berechnet ist (s. SENGUPTAs Kommentar zur Ubersetzung des Khand. I 16).
Also ist die Funktion P einfach eine Sinusfunktion, multipliziert mit einer Kon.
stanten c:
pix} =csin x,
(14)
wobei c für jeden Planeten einen anderen Wert hat.
Die Formel (13) kann
demnach als
(15)
fy = sin
(x + 3 25)
gelesen werden.
Die Rechenvorschrift des Khand. verlangt non weiter, daB die Hälfte dieser
Mittelpunktsgleichung /, von der korrigierten mittleren Lange des Planeten, also
auch vom korrigierten Argument x + 42, zu subtrahieren
ist
(16)
a = 2 +520
— 5 fo.
Mit diesem Argument x’ hat man nun die endgiiltige Mittelpunktsgleichung
f= @{x) =csin x’
(17)
zu bilden. Sie wird von der mittleren Länge des Planeten subtrahiert; daraus
folgt, daß x.jetzt durch »— fund y durch y+/zu ersetzen ist. Mit dem Argument
y-+f bildet man schließlich die Korrektur
i
(18)
a+,
d.h. z ist der Winkel bei
£ im Dreieck EPM mit Außenwinkel yi bei M,
wobei aber die Seite EM =1 gesetzt wird.
$ 6. Der Fall einer Konjunktion oder Opposition (z,
== 0)
Um die indische Rechenvorschrift mit unserer, früheren Näherungsformel zu
vergleichen, betrachten: wir einmal den Fall einer mittleren Konjunktion oder
Opposition des Planeten. In diesem Fall ist y=0 oder 180° und 2, wird Null
Die Formeln der indischen Astronomen vereinfachen sich dann zu
Diese Formeln stimmen, wenn c=2e gesetzt wird, genau mit den Formeln
(9) bis (11) des § 4 überein. Damit haben wir wenigstens im Prinzip einen Weg
gefunden, die indischen Rechenvorschriften. durch eine geometrische Theorie zu
rechtfertigen. Es zeigt sich, daß die Halbierung der vorläufigen Mittelpunktsgleichung f, nach der indischen Rechenvorschrift genau der Halbierung der
Strecke EGin der Fig. 1 entspricht.
Page 8
View in PDF(opens in a new window)57. Der allgemeine Fall (2,
= 0)
Wir nehmen im folgenden an, daB die Exzentrizität e und der Epizykelradius 7 so klein sind, daß die Glieder mit e?, e2r und er? vernachlässigt werden
können. Diese Annahme ist für Saturn, Jupiter, Venus und Merkur jedenfalls
erfüllt.
Für Mars ist er? nicht zu vernachlässigen, aber Mars ist ohnehin ein
sehr schwieriger Planet.
Die nach der indischen Vorschrift berechnete Mittelpunktsgleichung möge
von jetzt an mit /’ bezeichnet werden. Nach (17) und (16) ist
(19)
u
f =csin x’ =csin(x — $/,+4 2).
Der Winkel z, ist von der Größenordnung r. Entwickelt man also die rechte
Seite von (19) nach Potenzen von z,, so kann cz, vernachlässigt werden.
erhält man
So
°
J’ =csin(x — $ fy) + $c 29 c0s(x — $ fo).
In beiden Gliedern rechts kann x — 3 /, durch x — f,= x, ersetzt werden. Das
ergibt
f = csin(x — fi) +} CZ COS %.
(20)
Das erste Glied rechts in (20) ist die nach (10) berechnete Mittelpunktsgleichung f.
Das zweite Glied ist ein extra Korrekturglied, das zu / addiert,
also von x subtrahiert werden muß. Nennt man das Korrekturglied k, so kann
man für (20) schreiben
|
(21)
|
f=i+h.
Ist a die Länge des Apogeums, so ist die wahre Länge des Planeten schließlich durch
|
(22)
Amat(x—f)+2’
gegeben, wobei z’ nach (18) durch
(23)
2'=p(y+f)
gegeben ist. Setzt man (24)
in (22) ein, so erhält man
A=a+(x—f)+(— A)
|
oder, weil x — f bis auf Glieder von der Größenordnung e? gleich dem Winkel x,
der Fig. 1 ist,
|
(24)
Am a+ x, + (2 —k)
mit
k=dezcos x.
Die exakte Lange des Planeten nach Fig. 4 ist
(25) -
|
+2.
A=ata
Wenn also 2’— in der hier gebrauchten Näherung gleich 2 wäre, so wäre
die indische Rechenvorschrift gerechtfertigt. Um das zu untersuchen, betrachten
wir das Dreieck EMP.
Page 9
View in PDF(opens in a new window)Wegen der Kleinheit des Winkels /, ist ME genähert gleich MF, also gleich
MZ + ZF =1+ 3 0c0s 1.
Tragen wir also
MC=1 auf ME ab (Fig. 2}, so ist der Uberschu8 CE genähert
gleich $.¢cosx,. Nach (18) und (23) wurde z’=y(y+/’) aus einem Dreieck von
derselben Art wie PME, aber mit Seiten r und i und mit dem Winkel y-+
bei
M berechnet. Der Winkel y+/’ kann in der hier benutzten Näherung durch y+/
ersetzt werden.
In dieser Näherung ist also 2’ gleich dem Winkel z” bei C
im Dreieck PMC. Das Korrekturglied, das man von 2’ oder 2” zu subtrahieren hat, um z zu erhalten,
ist also der Winkel CPE =d. Die
Sinusregel im Dreieck PCE ergibt
E
sind
=
EC
PC
sinz.
Da d sehr klein und z klein ist, können sind und sinz durch d und z und PC
durch 1 ersetzt werden:
(26)
d= EC.2=1
c(cos x) z.
Vergleicht man das mit
(27)
k= 4¢(cos xy) 2,
so sieht man, daß d und À in der hier zugrunde gelegten Naherung gleich sind.
Damit ist die indische Rechenvorschrift gerechtfertigt.
Was hier geometrisch hergeleitet wurde, kann auch durch eine Reihenentwicklung der Korrekturglieder f und z bzw. f' und z’ nach Potenzen von e und 7
‚verifiziert werden. Es zeigt sich dabei wieder, daß die Summe —/ +z, die man
nach der Methode des Ausgleichspunktes erhält, mit der nach.der indischen
Methode berechneten Summe —/ +2’ bis auf Glieder mit e, e?r und er? übereinstimmt.
88. Wer hat zuerst den Ausgleichspunkt eingeführt?
Wir stellen also die_Vermutung auf, daß ProLemaros die Hypothese des
Ausgleichspunktes G (mit Z in der Mitte von EG) von seinen Vorgängern übernommen hat und daB'auf Grund eben dieser Hypothese die Näherungsformel
entwickelt wurde, die wir bei den indischen Astronomen gefunden haben.
Diese Vermutung ist nicht sicher; denn man könnte auch annehmen, daß
die Hypothese des Ausgleichspunktes und die indische Rechenvorschrift unabhängig voneinander dürch Probieren gefunden wurden.
Die Griechen haben
versucht, die beobachteten Planetenörter durch ein geometrisches Modell darzustellen und sind dabei auf die Hypothese des Ausgleichspunktes gekommen.
‘Andere — so könnte man annehmen — hätten versucht, eine Rechenvorschrift
zu finden, die mit der Erfahrung gut übereinstimmt, und sie wären dabei auf die
indische Rechenvorschrift gekommen. Die genäherte Übereinstimmung zwischen
den.beiden Theorien wäre dann dadurch zu erklären, daß beide recht gut zu
Page 10
View in PDF(opens in a new window)der Erfahrung stimmen’. Obwohl mir diese Erklärung unwahrscheinlich vor‘kommt, muß man doch mit der Möglichkeit rechnen.
Das soll uns aber nicht daran hindern, die zuerst aufgestellte Vermutung
etwas weiter zu verfolgen. Wer mag wohl der Vorgänger des PTOLEMAIOS gewesen sein, der die Hypothese des Ausgleichspunktes aufgestellt hat, und wer
hat die höchst ingeniöse Näherungsformel aufgestellt, die die Inder uns überliefert haben?
In einer sehr interessanten Studie über Apollonios hat O. NEUGEBAUER® überzeugend dargetan, daß APOLLONIOS der erste war, der eine mathematische Theorie *
zur Berechnung von Mond- und Planetenpositionen entworfen hat. Die Methode,
die ProLEMAIOS anwendet, um aus drei beobachteten Mondfinsternissen die Exzentrizität der Mondbahn oder {was damit äquivalent ist) den Radius des Mondepizykels zu berechnen, stammt von APOLLONIOS, Diese Methode setzt aber die
Trigonometrie voraus. ARISTARCHOS (um 280, etwa 80 Jahre vor APOLLONIOS)
hatte sicher noch keine Trigonometrie, ARCHIMEDES höchst wahrscheinlich auch
nicht. APOLLONIOS ist also der erste, der möglicherweise die Hypothese des Ausgleichspunktes aufgestellt haben könnte.
Nach APOLLONIOS und vor PTOLEMAIOS kennen wir nur einen großen Astronomen, nämlich HipPARCHOS (um 130 vor Chr.).
Von ihm wissen wir aber aus
PTOLEMAJOS (Almagest IX 2), daß er keine Planetentheorie entwickelt, sondern
nur festgestellt hat, daß alle damals existierenden Planetentheorien ungenügend
waren.
Falls also die Hypothese vom Ausgleichspunkt schon vor PTOLEMAIOS
aufgestellt wurde, so scheint es mir wahrscheinlich, daß APOLLONIOS der Urheber
war,
§ 9. Die Übermittlung nach Indien
Die Theorie der Exzenter und Epizykel und die Trigonometrie erscheinen
in der indischen Astronomie erst gegen 500 nach Christus, aber in Persien früher.
Die Zeugnisse dafür wurden von O. NEUGEBAUER in der Rezension eines Buches
von RENOU und FILLIOZAT (Archives internat. d’histoire des sciences Vol. 8, No. 34,
p. 168) zusammengestellt. NEUGEBAUER schließt aus diesen Zeugnissen, daß die
hellenistische Astronomie und Astrologie in der nachchristlichen Zeit (besonders
im 3. Jahrhundert) zunächst nach Persien übermitteit wurde und von dort nach
Indien gelangte.
Es fragt sich nun, ob die Hypothese des Ausgleichspunktes selbst nach Indien
gelangte oder nur die bequeme Rechenmethode, die nach unserer Vermutung
letzten Endes auf der Annahme des Ausgleichspunktes beruhte.
Ich glaube, wir können diese Frage auf Grund der indischen Texte selbst
mit ziemlicher Sicherheit beantworten. Die in § 5 erklärte Rechenmethode wird
nämlich von allen erwähnten Autoren mit fast denselben Worten erklärt, aber
vom Ausgleichspunkt redet keiner dieser Autoren, auch nicht in den Kapiteln,
die vom Bau des Weltalis und den Bewegungen der Gestirne handeln.
Daher
® KEPLER hat bemerkt, daß man mit der Hypothese des Ausgleichungspunktes
die Marsbeobachtungen recht gut darstellen kann.
Er hat die Hypothese noch etwas
zu verbessern versucht, indem er das Zentrum Z nicht genau in der Mitte von EG
annahm, aber er fand nachher, daß das nur dann eine Verbesserung ist, wenn Mars
in der Nähe der Opposition (oder Konjunktion) steht.
€ NEUGEBAUER, O.: Scripta Mathematica 24, 5 (1959).
Page 11
View in PDF(opens in a new window)nehme ich an, daB die indischen Autoren die Rechenvorschrift einer persischen
Quelle entnommen haben.
Diese Annahme wird, wie wir gleich sehen werden, von einer anderen Seite
her bestätigt.
$ 10. Die „Methode der Perser‘
SUTER hat 1914 die lateinische Übersetzung der Tafeln des AL-KHWARIZMI
publiziert”. Über die Herkunft dieser Tafeln gibt es eine Notiz bei IBN AL-KIFTI,
die bei SUTER (S. 33) so zitiert wird:
„Er (KHWARIZMI) stützte sich in seinen Tafeln auf die mittleren Orter des
Sindhind, wich aber von ihm ab in den Gleichungen (der Planeten) und in der
Schiefe (der Ekliptik); er setzte seine Gleichungen fest nach der Methode der
Perser, und die Deklination der Sonne nach der Methode des Ptolemäus.‘“
Der ,,Sindhind" ist nach der Überlieferung eine arabische Übersetzung eines
indischen Siddhanta. In der Tat stimmen die mittleren Bewegungen, die in den
Tafeln des KHWARIZMI angenommen wurden, genau mit den mittleren Bewegungen des Brahma-sphuta-siddhanta überein® — Die maximale Deklination
der Sonne ist nach den Tafeln 23° 51’, wie bei PTOLEMAIOS. Die erste und dritte
Mitteilung von IBN AL-KIFT1 sind demnach richtig; also werden wir der zweiten
Mitteilung, daß at-KuwdArizmi
die Mittelpunktsgleichungen der Planeten nach
der ,, Methode der Perser‘ berechnet hat, ebenfalls Glauben schenken dürfen.
Was ist nun die Methode der Perser zur Berechnung der wahren Planetenórter ?
In der Gebrauchsanweisung, die den Tafeln des KHwWARIZMI vorangestellt ist,
wird zunächst gelehrt, wie man den mittleren Ort eines Planeten, d.h. die Richtung
zum Mittelpunkt des Epizykels findet. In Fig. 1 wäre das die Richtung GM,
die sich im Laufe der Zeit gleichmäßig dreht. Die mittlere Länge Z des Planeten
heißt bei KHWARIZMI elwacat oder medio dlanetarum.
Die nächste Größe, die man braucht, ist der Winkel y, der Unterschied zwischen den Richtungen
MB und MP. Bei den oberen Planeten (Saturn, Jupiter
und Mars) ist MP die Richtung zum mittleren Ort der Sonne, also erhält man
das Argument y, indem man den elwacat des Planeten vom elwacat der Sonne
subtrahiert. Die Differenz y heißt elheca oder argumentum. Bei den unteren
Planeten (Venus und Merkur) wird das Argument y direkt durch die Tafeln für
die mittlere Bewegung gegeben; die mittlere Länge L von Venus und Merkur
ist gleich der der Sonne.
|
Als nächstes ist das Apogeum zu bestimmen.
Es heißt bei KHWARIZMI
Sublimatio. In Kap. 12 werden feste Längen für die Apogeen angegeben:
Saturn .
.
. a= 244° 55’
Jupiter. . .
a= 172°
32
Mars . .
.
. @=128°24’
Venus .
Merkur.
.
.
. a= 84°45’
. a—224°54
Sonne
.:.
. @=
77°55’.
? SUTER, H.: Die astronomischen Tafeln des MUHAMMED 12N MUsa AL-KHWARIZMÎ
in der Bearbeitung des Mastama ... und der lateinischen Übersetzung des ATHELHARD
von Batu. Kgl. Danske Vid. Seisk. Skrifter, 7. R., Hist. Fil. Afd. TIL 1.
. § BURCKHARDT, J: J.: Enseignement math. (1956) = Verhandlungen derSchweiz.
Naturf. Ges. 1956.
Page 12
View in PDF(opens in a new window)In den Tafeln findet man nicht dieses a, sondern ein korrigiertes Apogeum a’
(Sublimatio examinaia oder definita}, das von y abhängt und ein wenig kleiner
ist als a:
(28)
day).
Der Spalte a’ folgen zwei Spalten, die mit ,,Examinatio ipsius elheza‘ und
„Examinatio ipsius centri‘ überschrieben sind, und die unseren Winkeln z und f
entsprechen. Die Examinatio elheza (oder Examinatio argumenti, wie es im Manuskript C heißt) ist eine Funktion des Argumentes y und entspricht unserem
2,=yp(y) — Gleichung (12). Nimmt man y+/
statt y als Argument, so erhält
man unser z. Die Examinatio centri ist proportional einer Sinusfunktion und
entspricht unserer Mittelbunkisgleichung f.
Vergleicht man nun die Spalte a’ (sublimatio examinata) mit der Spalte z,
(examinatio elheza), so zeigt sich, wie SUTER (S. 50) schon bemerkt hat, daß
die Korrektur y (y) in (28) genau die Hälfte des Betrages von 2, ist:
(29)
20) =4] 20] = #0).
Aus (28) und (29) folgt *
a=a—+ilz).
(29a)
Die Gebrauchsanweisung des KHWARIZMI (Kap. 10) sagt, daB man diese’
Formel nur dann benützen soll, wenn das Argument y zwischen 0 und 180°
liegt, also wenn (in unserer Bezeichnung) zp positiv ist.
Liegt y zwischen 180
und 360°, so hat man zu a’ noch den ganzen Betrag |z,| zu addieren; die Summe
ergibt erst das korrigierte Apogeum®. Man hat also in diesem Fall, wo z, negativ
ist,
(29b)
|
a'=a
— 320] +4] = a+} |26|
zu setzen. Die Formeln (a) und (b) lassen sich zu
(30) .
a’=a—F%
zusammenfassen.
Der Text fährt fort: ;Dieses korrigierte Apogeum (a’) ist vom elwacat (L)
des Planeten zu subtrahieren. Die Differenz heißt Centrum.‘ Das heißt, man hat
(31)
x=L-=a=L-—a+iz,
zu bilden. Nun war aber L —a unser früheres x, also ist das, ‚Cehtrum“
(32)
|
%=%+ 2%...
Mit diesem Argument, so sagt der Text, soll man die Mittelpunktsgleichung }
|
bilden:
(33).
f=
(%) = (e+ 4 x).
8 Ms O: Si vero maius, in sublimationem examinatam et in examinationem
argumenti intrandum est, iugendo itaque sublimationem hanc cum ipsius argumenti
examinatione, totum istud sublimatio examinata nominandum est.
Page 13
View in PDF(opens in a new window)Diese Formel stimmt, wenn man f in /, umtauft, genau mit der früheren
Fôrmel (13) überein. Die Funktion q der Tafel des KHWARIZMI ist, genau wie
die Funktion p der indischen Texte, proportional einer Sinusfunktion — siehe
Formel (14).
Die genaue Übereinstimmung der Formel. (33), zu der die ,, Methode der
Perser‘ schließlich führt, mit der Formel (13), die aus der indischen Rechen. vorschrift abgeleitet wurde, bestätigt unsere in § 9 aufgestellte. Vermutung, daß
die indischen Autoren ihre Rechenvorschrift einer persischen Quelle entnommen
haben. Dazu kommt, daß auch die maximalen Gleichungen der Planeten, also
die Konstanten c in der Formel (14), bei KHwARIZMI und im Khandakhädyaka
genau übereinstimmen.
Nach der indischen Rechenvorschrift müßte man nun aus x, ein korrigiertes
Centrum
bilden — siehe Formel (16) — und dann mit diesem Argument die endgültige
Mittelpunktsgleichung / nach (17). Diese Komplikation ist bei KHwARIZMÍ fortgefallen: das nach (33) gebildete /, ist für ihn schon das endgültige /, das man
von x, zu subtrahieren und zu y zu addieren hat.
Centrum examinatum und y-+
Das Ergebnis x,—/ heißt
heißt Argumentum examinatum.
Mit dem Argument y-+-/ geht man nun in die Tafel fiir 2 hinein und findet
so die Examinatio argumenti
(34)
|
z=
y +1)
wie nach der früheren Formel (18). Dieses z ist zum Centrum examinatum x,
— f
zu addieren. Das Ergebnis xy —f+2 „nennen die Araber elhacil; wir werden es
Centrum ultimum nennen‘, sagt der Text (in einem anderen Manuskript heißt
es statt Araber „Chaldäer‘‘).
zu addieren.
(35)
Zu diesem elhacil ist das korrigierte Apogeum a’,
So erhält man schließlich die Länge des Planeten:
Asa'’t+x,—f+2=a’'+(L—a)—f+2=L—f+z2.
§11. Wie ist man auf den Ausgleichspunkt gekommen >
Wir kehren zur griechischen Astronomie zuriick und fragen: Wie ist der
Urheber der Idee des Ausgleichspunktes (ob er nun APOLLONIOS oder PTOLEMAIOS
oder anders hieß) auf diese Idee gekommen
?
Schon die Babylonier haben gewußt, daß zur mittleren Bewegung eines jeden
Planeten zwei Anomalien hinzukommen:
eine auf die Sonne und eine auf die
Ekliptik beziigliche Anomalie. Die erstere bewirkt die Stillstände und Rückläufigkeit; ihre Periode ist die synodische Periode des Planeten. Diese Anomalie
kann durch ein Epizykeimodell sehr gut erklärt werden: das wuSten APOLLONIOS
und alle, die nach ihm kamen. Die andere Anomalie bewirkt, daß die Bewegung
des Planeten in gewissen Teilen der Ekliptik schneller, in anderen langsamer
vor sich geht.
Bei der Sonne, wo es nur diese eine Anomalie gibt, kann man
sie sehr gut durch ein Exzentermodell darstellen.
Page 14
View in PDF(opens in a new window)Um nun beide Anomalien zu erhalten, hat man die beiden Modelle miteinander
zu kombinieren. So hat PTOLEMAIOS es jedenfalls getan und nach seinen eigenen,
in $2 zitierten Worten auch einige seiner Vorgänger. Man würde also zunächst
einen Epizykel annehmen, dessen Mittelpunkt M mit gleichmäßiger Geschwindigkeit einen Exzenter durchläuft.
|
|
Es gibt verschiedene Mittel, die Exzentrizität und den Epizykelradius zu
bestimmen. Die Exzentrizität bestimmt man bei den oberen Planeten am besten
durch Beobachtung der Oppositionen. Wenn der Planet in P in Opposition zur
mittleren Sonne steht, so fallt die Richtung EM mit der Richtung EP, die man
beobachten kann, zusammen. (Fig. 3). Hat man so drei Richtungen EM beobachtet, so kann man nach APOLLONIOS die Exzentrizität und die Richtung des
Apogeums berechnen.
|
À
|
Als nächstes bestimmt man nun den
‘Epizykelradius, etwa durch Beobachtung
der Stillstände unter Benutzung der Sätze
von APOLLONIOS. Nun stellt sich aber heraus, daß der Epizykelradius, den man annehmen muß, um die Planetenpositionen
in det Nahe des Apogeums A richtig darzustellen, bedeutend grôBer ist (besonders
für Mars) als in der Nähe des Perigeums.
Der Fehler ist eben, daB der Punkt E zu
weit vom Mittelpunkt Z entfernt ist. Wiirde
man.die Strecke ZE in E’ halbieren und die
Fig.3
Erde in E’ stellen, so würde die Anomalie
in bezug auf die Sonne richtig herauskommen, aber die Anomalie in bezug auf
die Ekliptik ware dann wieder zu klein. Dieser Ubelstand kann durch Einführung eines Ausgleichspunktes G im Abstand
GZ=ZE' = E'E
behoben werden. Wenn nämlich die Bewegung des Epizykelmitt-punktes
M
von G aus gleichmäßig erscheint und von £' aus beobachtet wird, so ist die
Bewegung fast dieselbe als wenn sie von Z aus gleichmäßig erscheint und von E
aus beobachtet wird.
In dieser Weise könnte man, durch ,,trial und error”, auf die Idee des Ausgleichspunktes gekommen sein. Wenn man dann versucht hat, auf Grund dieser
Theorie Tafeln aufzustellen, die keine trigonometrische Rechnung, sondern nur
Interpolationen, Additionen,
Subtraktionen und Halbierungen erfordern, so
könnte ein hervorragender Mathematiker wie APOLLONIOS sehr wohl die persischindische Rechenmethode gefunden haben
Es fragt sich nun, ob es.auch möglich ist, ohne die geometrische Idee des
Ausgleichspunktes, rein durch Herumprobieren mit trigonometrischen Funktionen
und Vergleich mit der Beobachtung, auf die persisch-indische Rechenvorschrift
zu kommen. Vielleicht ist es möglich, aber ich halte es für sehr unwahrscheinlich,
daß man so verfahren ist.
In den
Schriften von PTOLEMAIOS, ALBATTANI,
KOPERNIKUS und KEPLER habe ich keine einzige Parallele dazu gefunden. Immer
Page 15
View in PDF(opens in a new window)wurde zuerst das geometrische Modell so lange modifiziert, bis es zur Erfahrung
stimmte; dann erst wurden auf Grund des Modells exakte oder Näherungsformeln
zur Berechnung der PlanetenGrter entwickelt.
Dieses Verfahren entspricht auch am meisten der wissenschaftlichen Zielsetzung der Griechen. Die Babylonier haben weitgehend mit empirischen Funktionen, mit arithmetischen Reihen bis zur dritten Ordnung gearbeitet, die sie
möglichst gut den Beobachtungen angepaßt haben.
Für die Griechen aber war
das erste Ziel, „durch Zusammenstellung von gleichmäßigen Kreisbewegungen
die Erscheinungen zu retten‘. Wenn man die geometrische Theorie einmal hatte,
wurden natürlich auch Tafeln zum Gebrauch der Astrologen berechnet, wie die
Tafeln des Almagest oder die Handlichen Tafeln des ProLemaros.
Am Anfang
stehen aber stets geometrische Theorien_wie die des platonischen Tımaıos, des
Eupoxos, des Hixeras, des KALLIPPOS, des HERAKLEIDES VON Pontos”, des
ARISTARCHOS, des APOLLONIOS, des HIPPARCHOS und des PTOLEMAIOS.
Indische Trigonometrie
Die indischen Sinustafeln tabulieren nicht sinx, sondern die ‚halbe Sehne‘
R sin x, wobei R ein beliebig gewählter Radius ist. Bei ARYABHATA (Aryabhatiya
140) und im Suryasiddhanta (II 15) ist R so gewählt, daß für kleine Winkel
die halbe Sehne gleich dem (in Minuten ausgedrückten) Winkel ist, z.B.
Rsin 225’ = 225’. .
Zu diesem Zweck muß man R so wählen, daß der halbe Kreisumfang aR
gleich 180°= 10800" ist, also
10800
R
x
Der Wert von x, den die indischen Astronomen immer annehmen, ist nach
Aryabhatiya II 10
= 3,1416.
BHASKARAN erklärt dazu, der Wert
= 22/7 sei für die Praktiker genügend;
aber der genaue Wert sei 3927/1250. Nun ist 22/7 bekanntlich der Wert des
ARCHIMEDES.. EUTOKOS schreibt in seinem Kommentar zu der Kreismessung
des ARCHIMEDES:
„APOLLONIOS VON PERGA löste dasselbe Problemin seinem Okytokion, wobei
er andere Zahlen benutzte und die Approximation genauer machte
... aber das
Ziel des ARCHIMEDES war, einen Näherungswert für den praktischen Gebrauch
zu finden ...“.
ÆEUTOKIos erwähnt weiter Leute, die ,,Multiplikationen und
Divisionen von Myriaden‘‘ benutzten, um genauere Werte des Verhältnisses des
Kreisumfanges zum Durchmesser zu finden.
19 Für die Systeme von Timaros, HIKETAS und HERAKLEIDES siehe B. L. vAN DER
WAERDEN, Die Astronomie der Pythagoreer. Amsterdam: N.-Holland Publishing Co.
1951.
1 COLEBROOKE, H. Tu.: Algebra “with Arithmetic and Mensuration from the
Sanscrit ot BRAHMEGUPTA and BHASCARA, p. 87.
London 1817.
Page 16
View in PDF(opens in a new window). Die Stelle Lei BHASKARA, wo neben dem genauen Wert 3927/1250=3,1416
die Näherung 22/7 erwähnt wird, die , für den Praktiker genügend‘ sei, entspricht
so genau den Worten des EUTok1os, daß ich eine gemeinsame Quelle annehmen
möchte. Dann aber muß der Wert 3,1416 dem APOLLONIOS zugeschrieben werden:
Der Nenner dieser Zahl ist eine Myriade (10000) und auch Eutokios spricht
von „Multiplikationen und Divisionen von Myriaden”.
|
Dividiert man 10800 durch 3,1416 und rundet, wie ARYABHATA es in seiner
Smustafelimmer tut, auf ganze Minuten, so erhält man für den ,,Sinús totus“
R=3438 -
wie ÄRYABHATA es auch angibt. Es ist sehr gut möglich, daß das Prinzip dieser
Sinustafel auf APOLLONIOS zurückgeht.
So rundet sich das Bild, das wir uns von dem großen Mathematiker und
Astronomen APOLLONIOS machen können. Sein Werk war nicht nur in der
exakten Mathematik, sondern auch in der Approximationsmathematik bahnbrechend. Er war wahrhaftig der Vater der mathematischen Astronomie.
Mathematisches Institut der Universität
Zürich
(Eingegangen am 3. Juni 1960)