基礎地学II 宇宙論（2/3） ー自然哲学から自然科学へー

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1 基礎地学II 宇宙論（2/3） ー自然哲学から自然科学へー
北海道大学・環境科学院 藤原正智

2 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ギリシャ時代の天文学（～プトレマイオス（AD2C）の「アルマゲスト」で完成） アラビア・イスラム世界（中東～北アフリカ）～インド世界 　　　プトレマイオス体系（天動説）が継承される 　　　　（幾つか批判的研究もあったが天動説の域は出ず） 　　　天文観測技術の高度化、暦の精緻化 中世ヨーロッパ：　 　　　ルネサンス（14～16C） 　　　　　　ギリシャ・ローマの古典古代への（キリスト教世界観からの）復帰 　　　ローマ教会（バチカン、カトリック、“旧教”）、宗教改革（“新教”、プロテスタント）、 　　　宗教戦争から政治戦争へ（絶対主義的皇帝 対 封建主義的諸侯） 　　　ローマ教会：　アリストテレス・プトレマイオス体系である地球中心説を教義に採用 　　　大学の誕生：　聖職者養成が始まり神学、法律学、医学、人文学を持つ大学へ。 　　　　　　　　　　　　　　　　　大学教授・研究者の多くは、アリストテレス体系の注釈者。

3 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ニコラス・コペルニクス（ 、ポーランド） 　　　　フラウェンブルグ寺院大管区長－「神が創った宇宙は美しいはず」 　　　　プトレマイオス体系は不完全（誤差の累積）、 　　　　　　　美しくない（“円”が多すぎる、一様円運動でない） 　　　　 試行錯誤の末、アリスタルコスの太陽中心説を“仮説として”復活：　 　　　　　　 「コペルニクス的転回」「コペルニクス革命」　 　　　　　　　（教会を刺激せぬよう大変気を遣う）　 　　　　 ただし、依然として不完全。 　　　　　　ケプラー、ガリレオらがのちに支持。 ティコ・ブラーエ（ 、デンマーク） 　　（望遠鏡発明以前では稀代の天文観測家）： 　　　　超新星爆発の発見（1572年 カシオペア座・ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　銀河系内） 　　　　　　恒星世界は永久不変ではない。　 　　　　21年間に渡る天文台での観測。 　　　　年周視差が検出されないので地動説採らず。 　　　　（地球の周りを太陽が回り、 　　　　　太陽の周りを惑星が回ると考えた） ［宇宙論のすべて、より］

4 超新星爆発とは： 恒星の最期、supernova （爆発により星本体は四散。中心部に 中性子星やブラックホールが残る場合あり。 ）
SN 1054 おうし座・かに星雲（銀河系内） （1054年；日本・中国・朝鮮・北米に記録あり） SN 1987A かじき座（大マゼラン星雲内） （ (16.4万光年・年前)；カミオカンデ等で 　ニュートリノ検出  2002年小柴昌俊、ノーベル物理学賞）

5 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ヨハネス・ケプラー（ 、ドイツ） 　　　　　神は宇宙を神聖な調和に従って創造したはずという信念。 　　　　　数や図形の神秘性・美しさを追究 　　　　　数学の才能あり。コペルニクス説に感銘。ガリレオと多数の手紙を交換。 　　　　　ティコの弟子として火星の観測データから3つの経験則（地動説に則る）を発見。 　　　　　（１）円ではなく楕円軌道 　　　　　（２）面積速度一定 　　　　　（３）公転周期の2乗 　　　　　　　　　　　÷平均軌道半径の3乗 　　　　　　　　＝　一定 ［地学図表より］

6 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ガリレオ・ガリレイ（ 、イタリア）（1/3） 　　　　実験科学、実証科学＝近代科学の創始者（アリストテレス体系と注釈者たちを批判） 　　　　運動論（“ピサの斜塔”）、機械学（滑車、さお秤、てこの原理、斜面上の物体）、 　　　　そして天文学へ。 　　　　オランダで望遠鏡発明という噂を聞き、早速自作し人類初の天体観測を行う。 　　　　また、望遠鏡の製作・販売により家計の足しにする 中央図：　「ガリレオ」、中央公論社 左・右図：　 　　　　　　　amazing-space.stsci.edu　 　　　　　　　/eds/tools/

7 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ガリレオ（2/3）　 　　地動説の証拠、示唆となる現象多数発見。 「星界の報告」「天文対話」。 　　　　「天の川は無数の星（太陽）の集まり」太陽系の相対化 　　　　「月は光球ではなく表面には凹凸あり地球と同じ」 　　　　　　　　アリストテレスの“天上世界”も地球と同質 　　　　「木星のまわりを4つの衛星がまわる」 　　　　　　　　運動の中心となりうる天体（重さを持つ）が地球以外にもある 　　　　「金星の満ち欠け」コペルニクス説の方で説明可（金星も月と同様） 　　「太陽の黒点の存在と太陽の自転」完全であるべき太陽にしみ 　　「運動の相対性」を指摘： 　　　地球の動きは地球上に 　　　いる者には分からない 　　　（船に乗って石を落とす） ガリレオがスケッチした月の表面模様 /eds/tools/

8 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
ガリレオ（3/3）　 ローマ教会により2回の宗教裁判を受け“異端誓絶”。 　　　　　（背景に旧教・新教の対立や教皇・諸侯の対立など。） 　　「それでも地球は動いている」 　　　　　（晩年は自宅に幽閉され、「新科学対話」を執筆。） 　　　　　（1992年にローマ教会（ヨハネ・パウロ2世、2005.4逝去） 　　　　　　はようやく間違いを認める。） 　　　　　（同時代のジョルダーノ・ブルーノ（ドメニコ会士）は、 　　　　　　「神は無数の太陽と無数の地球を作った」と主張、 　　　　　　長い逃亡生活の末、1600、ローマ教会により火あぶりの刑に。） 　　 ガリレオ裁判、当時の科学界や哲学界に悪影響を与える。 　　　　以降、イタリアに代わり、ニュートンのイギリス、ライプニッツのドイツ、 　　　　パスカルのフランスにて、近代科学は発展していく。 「星界からの報告」、「天文対話」、「新科学対話」、岩波文庫 「ガリレオ・ガリレイ」青木靖三著、岩波新書・評伝選 「ガリレオ」豊田利幸・責任編集、中公バックス・世界の名著第２６巻

9 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
アイザック・ニュートン（ 、イギリス） 　　「奇跡の18ヶ月」（20代前半。ペスト（黒死病）流行で大学閉鎖）： 光学、微積分法、万有引力と運動の法則 　　 1687、ニュートン力学の集大成「プリンキピア」：　ケプラーの法則が説明可能、 　　　　　　　　　他にも多くの現象（潮汐、地球が回転楕円体であること、等）が理解可能 　　 以降、太陽中心説は自然に受け入れられていく（直接証拠の観測はさらに50年後） 左： 中央： 右： （中世ヨーロッパの“科学者”は社会（キリスト教社会）からどの程度独立だったのか、現代の科学者はどうか）

10 地球の自転はなかなか実感できない フーコーの振り子 （新札幌駅そばの札幌市青少年科学館でみることができます）
フーコーの振り子　　　（新札幌駅そばの札幌市青少年科学館でみることができます） 1851、仏の実験物理学者フーコー、パリのパンテオン寺院で地球自転を証明する実験実施 振り子は、宇宙から見ると同じ面内で振動、しかし、回転する地球上で見ると振動面が回転 北極・南極で実験すると1日に1回転する（当たり前）。 （極から離れると1回転するのに1日以上かかる。赤道では回転しない。 　パリでは1時間に約10度回転） 　 振り子があたかも進行方向に直交する方向に力を受ける：転向力/コリオリ力 　　　（この力は小さいので、長時間（例えば数時間以上）、長距離（例えば100km以上）、 　　　　動かなければ見えてこない） 　　　　　 （左写真：パリ・メチエ博物館）

11 地球の自転はなかなか実感できない http://kakuda.ed.niigata-u.ac.jp
/semi/ob/thesis/99niwata_thesis2-21/ space/foucault/foucault.html (自転)

12 太陽系の描像の確定 万有引力により統一的に理解できる： 惑星は太陽から距離の2乗に反比例する力を受けて楕円運動
［地学図表より］ 万有引力により統一的に理解できる：　惑星は太陽から距離の2乗に反比例する力を受けて楕円運動 公転方向は太陽自転方向に一致（惑星の成因に関係） 軌道面はほぼ同一平面上（冥王星は今や惑星ではない） E. Halley：　ニュートンと親しく「プリンキピア」刊行促す、ハレー彗星の軌道計算（約78年周期） 世界初の科学観測船にて、グローバルな磁場分布、測地、地表風系等の観測

13 宇宙は有限か無限か、定常か非定常か 「ニュートンの無限宇宙」 万有引力の帰結  宇宙が永遠であるなら無限でなければならない
　　 なぜなら、もしも宇宙に中心と端があれば、万有引力により 宇宙は中心に向かって潰れてしまう 「万有引力がある限り、宇宙に永遠は存在しないのではないか」 　　　　　無限の空間に物質が均等分布 　　　　　　　あちこちで塊を形成するだろう 　　　　　　　無数の大きな塊が散在（これが太陽や恒星の成因だろう） 「惑星や彗星による摂動太陽系はやがて破壊される」 （ニュートンへの反論） 中心や端はないが有限な宇宙は考えられる。（二次元世界なら球面がその一例） 宇宙は永遠でなくてよく、膨張・収縮していてもいい。 星・元素等の生成に十分な寿命さえあれば将来潰れてもいい。

14 宇宙は有限か無限か、定常か非定常か 「夜空のパラドックス」（オルバース、1826年） 夜空が暗いのは大変不思議である
もしも宇宙が永遠かつ無限で星が一様分布しているなら、 　　夜空はまぶしく輝いているはずである 　　なぜなら： 星と星のすき間には必ず別の星が見えるはず 星のみかけの明るさは距離の2乗の反比例 　　星の数は距離の3乗に比例 　　　　  夜空の明るさは宇宙の大きさに比例するはず

15 宇宙は有限か無限か、定常か非定常か 「夜空のパラドックス」を解くには、仮定の再考を。例えば： 宇宙は無限であっても永遠でない
　　　　（有限の年齢を持つ ― まだ全ての光が届いていない） 宇宙は永遠であっても無限でない 星は一様分布していない・有限個数しかない 他の要素？ 　　　星雲が遠くの星の光をさえぎっているのでは（オルバース） 　　　　（雲は無限に光を吸収できるわけではない。再放射してしまう。） 20世紀に入り解決： “宇宙は一様に膨張していた” 　　従って、寿命は有限となり、光が到達しうる範囲も有限「宇宙の地平線」 　　　　ドップラー効果（遠ざかる場合波長のびる）による赤方偏移（低エネルギー側へ） 実は夜空は明るい（一様な背景放射の存在） 　　　可視光（0.4～0.8μm）では暗いが、赤外線（1～100μm）やX線（0.1～1nm）では 　　　ほぼ一様に明るい 　　　　　　X線：遠くの銀河の中心核、赤外線：遠くの星の光（過去の星形成の情報） 　　　　　　（なお、ビッグバンの証拠であるいわゆる「宇宙背景放射」は電波領域（1cm～1m）。 　　　　　　　星ではなく宇宙空間そのものが昔熱かった名残り）

16 天体望遠鏡の発達史 （＊：「ガリレオ」、中央公論社） （宇：宇宙論のすべて） ガリレオ［左、＊］とニュートン［右、宇］の望遠鏡
電波望遠鏡アレイVLA［宇］（26m21km） （米・ニューメキシコ） ティコ・ブラーエの天文台［宇］ ハッブル宇宙望遠鏡（1990～） ［野本、ハッブル望遠鏡の宇宙遺産、岩波新書］ ハッブルのウィルソン山天文台［宇］ ［地学図表］

17 宇宙の大きさ 恒星の距離を測る 年周視差の検出（1838年、ベッセルによるはくちょう座61番の星の観測）
　　　 地動説の確認とともに、この星が11光年（*）離れていること判明 　　　（現在では視差を用いた方法で100～1000光年先の星の距離を決定できるが、 　　　　我々の銀河（天の川銀河・銀河系）の半径が50,000光年。その先は？） 脈動変光星（特にセファイド型）という特殊な星の性質を利用　 　　　　　（“遠い星ほど暗い”という性質を利用） 　　　脈動変光星：ある決まった周期（1～1000日）で膨張・収縮を繰り返し明るさ変化 　　　セファイド型（＜50日）：平均の明るさ（絶対等級）と周期に簡単な関係があり 　　　天球上に脈動変光星を見つける周期から経験則にて絶対等級決定 　　　　　みかけの明るさより距離決定 1920年、シャプレー・カーティス論争： 　　　　「アンドロメダ“星雲”の位置は 　　　　　天の川の中か外か」 　　　　　　　天の川の外と判明。 　　　　天の川内－“星雲” 　　　　天の川外－“銀河”と区別 （*）光年： 光が1年に進む距離 約9.5兆km ［地学図表より］

18 「銀河宇宙」という描像 “天の川”は、我々の太陽系が属する“天の川銀河”（“銀河系”）の円盤面方向に対応
天の川銀河は、アンドロメダ銀河に似たひとつの渦巻銀河 ［全て、地学図表より］

19 まとめ ー 宇宙論（2/3） ー 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ コペルニクス、ティコ・ブラーエ、ケプラー
　　－ 中世ヨーロッパの人々の“常識”“社会通念”との戦い － 　　　　　　コペルニクス、ティコ・ブラーエ、ケプラー 　　　　　　ガリレオ・ガリレイ、ニュートン 地球の自転はなかなか実感できない 　　－ フーコーの振り子 ー 太陽系の描像の確定 「ニュートンの無限宇宙」と「夜空のパラドックス」 天体望遠鏡の発達と、宇宙の大きさの測定 「銀河宇宙」という描像