地球惑星科学II 宇宙論（1/4） ー自然哲学から自然科学へー

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1 地球惑星科学II 宇宙論（1/4） 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 単に最新知識・理解を知るだけではなく、過去の人々の 　　　思考の経緯をたどることで、より深い理解を目指す。 後半の気象学・海洋学・地球温暖化を学ぶ際の背景知識。

2 宇宙論 ー 自然哲学から自然科学へ ー 天体現象の観察の時代 自然哲学の時代 地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
宇宙は有限か無限か、定常か非定常か 膨張宇宙の発見 ビッグバン宇宙と物質・力の起源 宇宙論（宇宙をどう理解？）の変遷の歴史から科学の誕生と成長を見る ― 科学とは何か 　　夜空の観察科学の起源？（なぜ夜空から始まった？） 　　様々な世界認識（人はいろいろなことを考えますが…人類の起源、宇宙の構造、など） 　　個々人の思想・宗教観・イデオロギーから実験科学・実証科学へ 　　極限の世界へ（量子論、素粒子論、相対論、宇宙の始まりと果て） 　　現代的観測技術の発達と現代科学（現代の科学者とは何か）、現代の世界認識 　　― このようなことを考えるきっかけに ― 参　考　文　献　　　：「宇宙論のすべて」　池内了著　（新書館） （教科書の他に）　　　　「物理学と神」　池内了著　（集英社新書） 　　　　　　　　　　　　　「はじめての地学・天文学史」　矢島道子・和田純夫編（ベレ出版） 　　　　　　　　　　　　　「宇宙像の変遷と科学」二間瀬敏史・中村士著（放送大学教育振興会） 　　　　　　　　　　　　　「宇宙は何でできているのか」村山斉（幻冬舎新書）

3 天体現象の観察の時代 どうして人はそんなに一生懸命夜空を観察していたのか？ （どうして科学は天文から（気象でも地震でもなく）始まったのか？）
“天球”上の恒星・太陽・月の規則的な運動の発見 暦（カレンダー、時計）： 　　　　太陽・恒星の動き1日、1年。月の満ち欠け約1ヶ月 測量（星図から地図へ：緯度・経度の決定）  農業、航海・旅行等のための実用天文学；　政治の道具としての天文学  「法則にのっとった“完全”な宇宙」という考え方の発生 星図の中を不規則運動する星、惑星の発見（逆行運動など） 星図の各種不規則性の発見（ヒッパルコス、BC150年頃） 　　　　　春分－秋分（夏）と秋分－春分（冬）の時間差地球の公転軌道が楕円であるため 　　　　　春分歳差（1年に角度45秒ずれる地球自転軸の2.6万年周期の歳差運動のため 　　　　　　　　　　　　ギリシャ時代（ヒッパルコスが黄道12宮決定）と現代とでは星座ひとつ分ずれている！）  2000年以上かけて、宇宙における地球の位置付けに関する正しい認識へ

4 “天球”の“星図”上の太陽の動き（暦） ［地学図表より］
図に注意：あくまで天動説（24h-4mで1周）で。太陽をひとつの恒星とした時の星図上の位置。太陽の位置+/-6hでは当然星は見えない。 　　　　　　　　　　　　　　　　　（自転＋公転の効果）　　（BC150年頃にヒッパルコスが「黄道12宮」を定めたが、その後地球の歳差運動により1星座分ずれた）

5 惑星（planetギリシャ語のπλαναω（planeo、放浪する））とその逆行運動
［地学図表より］ 相互の位置関係を変えない恒星（星座という発想へ）に対して、特に惑星は大変変則的な運動をしているように見える。 （惑星の軌道面はほぼ一致しているため、地球から見ると惑星はほぼ黄道上を動く。ただし、惑星によって、赤経位置や 動き方（順行、留、逆行）は大きく異なる。現代では左下図がさらりと描かれるが、この描像を得るまでに何千年も。） ＊内惑星（水星、金星）は太陽から一定角度以内、外惑星（火星、木星、土星、…）は上図のように太陽から大きく離れる

6 惑星（planetギリシャ語のπλαναω（planeo、放浪する））とその逆行運動
　［内惑星（水星、金星）は常に太陽の近くにいるが不規則運動を示す］ ［天文年鑑2005（誠文堂新光社）より］ “Mercury Over Leeds” 　　2004年3月17日～4月5日。日没33分後。 　　月は、3月22日のもの “A Picturesque Venus Transit ” 　　金星の太陽面通過 写真はいずれも　

7 宇宙創生神話と古代宇宙論 ［宇宙論のすべて、より］
宇宙創生神話と古代宇宙論　［宇宙論のすべて、より］ ・古代人の宇宙創世神話－宇宙は何から生まれたか ・主要なタイプは6つ 　創造神（聖書等）、原人/世界巨人の死体（インドのリグ・ヴェーダ）、 　宇宙卵（フィンランドのカレワラ）、世界両親（古事記等）、原初の海等、海底泥 　多くは比較的身近な現象からの類推か（“創造神”だけは抽象的？） 　共通する観念は「混沌（カオス）から秩序（コスモス）へ」 ・古代の宇宙論（四大文明における宇宙論） 　エジプト：深淵、無限、暗黒、不可視である“原初の水・ヌン神”が宇宙を創造 　メソポタミア：地下水・大地・天の三層構造から天三層・地三層の六層構造へ 　　（イラク付近）　　層を支える“宇宙の網”と層間を移動するための“宇宙の梯子” 　インド：宇宙の中心に山（須弥山・シュミセン/メール山/シネール山） 　　　　　　仏教：　時間には初めも終わりもないが、永遠もない 　　　　　　ジャイナ教：　昇りの時代と降りの時代を繰り返す 　　　　　　ヒンドゥー教：　大火・洪水の繰り返しののち空虚へ 　　　　　　 転生輪廻と世界の消滅（ハルマゲドン）という考え方へ集約 　中国：BC4C～AD2C（前漢・後漢）：3つの代表的な学説　（比較的抽象的？） 　　　　蓋天説：天は半球型の蓋（バビロニアからシルクロード経由？）「天円地方」 　　　　渾天説：天は丸く（卵殻）、地も丸い（卵黄）（鶏卵宇宙） 　　　　宣夜説：天は無限・虚空、太陽・月・星は虚空に浮かび“気”により運動 　　　　　　　　　　（宣教師によりヨーロッパへ。ガリレオの宇宙像に影響（？）） ・その後の東洋世界　（統治者が利用するための実用天文学の側面が強かった） 　天体の規則運動よりも不規則・突発現象への興味：「天行不斉」「天の命を知る」 　彗星、流星、日食・月食、新星など（天変）が地の異変を予言するという考え方 ・日本では古くから、　天の異変を監視する役所（陰陽寮/天文博士）と 　毎年暦を改定する役所（暦博士）。実際には中国から伝わった暦の移し変え。 　江戸時代に入り日本人独自の暦。江戸の天文学者は実用天文学のみ。 　 渋川晴海 [宇宙論のすべて、より]

8 渋川晴海： 江戸時代の天文暦学者、碁打ち衆
渋川晴海：　江戸時代の天文暦学者、碁打ち衆 渋川晴海（安井/保井） 1639～1715 関孝和（和算）と同時代 冲方丁「天地明察」 角川書店 （2010年・本屋大賞第1位） 国立天文台・図書室・ 貴重資料展示室 （第6, 41-43回） 葛飾北斎「富嶽百景」浅草鳥越の図 （浅草天文台　1782～　の渾天儀）　 宣明暦（唐で822～892、日本では862～1685に使われた） 授時暦・大統暦（元・明で1281～1644に（改訂されつつ）使われた）  江戸時代には宣明暦には2日のずれが生じており、月食や日食の予報外すようになっていた 渋川晴海は、20代前半に日本各地での天文（緯度）観測に参加。 その経験により、中国の比較的最近の授時暦採用を提案するも、授時暦もすでに古く、食予報外す。  晴海独自の大和暦（授時暦の独自改訂）を作成、1684年、「貞享暦」として朝廷により採用される （改暦は、権力・宗教・政治・文化・経済に密に関わる  「天地明察」p ）

9 自然哲学の時代 (1/2) 東洋世界では： 統治者が利用するための実用天文学 天体の規則運動よりも不規則・突発現象への興味
東洋世界では：　統治者が利用するための実用天文学 　　　　　　　　天体の規則運動よりも不規則・突発現象への興味 いっぽう、ギリシャの自然哲学者達（BC600～AD200）： 　　　「自然現象の解釈に神話でなく合理的精神を」 ピタゴラスの弟子のピロラオス 　　　宇宙の中心に火があり、地球や太陽はその周りを回る 　　　（地球は動き宇宙の中心ではないコペルニクスへ） プラトンの弟子のエウドクソス（ユードクソス） 　　　初めて星図を作る。地球を中心とする同心天球説 　　　アリストテレスの地球中心説（天動説）へ アリスタルコス 　　　太陽の大きさを推定（のちほど） 　　　地球と太陽の大きさの比較から、太陽中心説（地動説）を提唱 　　　（コペルニクスの登場まで忘れ去られる）

10 自然哲学の時代 (2/2) アリストテレス（諸学問を体系化。後世に多大な影響を与えた偉大な自然哲学者）
　　　「目的論的自然観」：全ての物事には目的がある　（vs. 機械論的自然観） 　　　2000年近く支持された地球中心説（天動説）宇宙論　（エウドクソス説を発展） 　　　地球を中心に、月・水星・金星・太陽・火星・木星・土星、そして恒星天球＝宇宙の果て 　　　　月下圏：土・水・空気・火の四元素。生成消滅。直線上の往復運動（不完全な世界） 　　　　月上圏：第五の元素エーテル（“真空”を否定）（cf. 1887年マイケルソン・モーレーの実験） 　　　　　　　　　　完全な世界。永久に続く円運動。 　　　　　　　　　　惑星は円運動するという先入観の原因に 　　　　・地球が丸いこと論証（地平線と星、水平線と船、月食時の地球影） 　　　　・アリストテレスの自然学・宇宙論と中世ヨーロッパ（“暗黒時代”） 　　　　　キリスト教の権威・政治権力とアリストテレス 　　　　　　　トマス・アクィナス「神学大全」（ 。ヨーロッパ中世のキリスト教文化期） 　　　　　　　ダンテ「神曲」（ 。イタリア・ルネッサンス期） 　　　　　大学、スコラ学者＝アリストテレス体系の注釈者 　　　　・生物学の祖でもある：「動物誌」　観察と分類 プトレマイオス（トレミー）「アルマゲスト」 　　　　　　　　　ギリシャ天文学集大成（後述） （天王星は1781年、海王星は1846年、冥王星は1930年に発見） ［左の月食連続写真は、

11 地球と月と太陽の大きさを測る －幾何学の利用－ （1/3） ・地球の大きさ： エラトステネス（BC 3世紀） 前提：
－幾何学の利用－　（1/3） ・地球の大きさ：　エラトステネス（BC 3世紀） 前提： 宇宙とは、3次元空間内にある一組の天体群からなる 幾何学により、宇宙を測ることができる 大地はほぼ球形である 宇宙は広大で太陽は遠方にある（太陽光は平行光線）  エラトステネス（および当時の古代ギリシャ人）の 宇宙観により、「棒の影の長さ」を「地球の大きさ」 に結びつけることができた！ 　ロバート・P・クリース　青木薫訳 　「世界でもっとも美しい10の科学実験」　日経BP社 　第1章　世界を測る ［地学図表より］

12 地球と月と太陽の大きさを測る－幾何学の利用－（2/3）
・月と太陽の大きさと距離：　アリスタルコス（BC 270年頃） 　　（０）地球の大きさとしてエラトステネスの値を用いる 　　（１）月食時の地球の影の大きさ地球と月の大きさの比（1:0.36） 　　　　　　月の大きさ（実際は0.27（衛星としては巨大）） 　　（２）月を見込む視角月と地球の距離（地球直径の9.5倍実際は30.2） 　　（３）半月の時、地球と月と太陽は直角三角形（月で直角）月-地球-太陽の角度 （87度89.5度）から地球と太陽の距離（地球の直径の180倍11726倍） 　　（４）日食の時、太陽と月はちょうど重なる太陽と月の大きさの比は距離の比と同じ 　　　　　太陽の大きさ（地球の6.7倍実際は109倍）　　（太陽・月の視角は約0.5度） 　　測定誤差により月の大きさ以外は間違えたが、太陽が地球よりずっと大きいこと判明 　　太陽中心説（地動説）を提唱（16世紀のコペルニクス登場まで忘れ去られる） ［矢島・和田より］

13 地球と月と太陽の大きさを測る－幾何学の利用－（3/3）
［地学図表より］ ・月までの距離をより精度良く測定：　ヒッパルコス（BC 150年頃）　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（地球自転軸の歳差運動を発見・黄道12宮決定） 　　地球上の遠く離れてはいるが距離の分かった二点での視差を利用 　　地球の直径の30倍と見積もった（現在の観測値に大変近い）

14 2009年7月22日の皆既日食 http://www.jma.go.jp/jma/index.html

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16 地球中心説（天動説） 宇宙の中心に地球をすえるか、太陽をすえるか （現在の認識では、宇宙には中心も端もない？）
　　　（現在の認識では、宇宙には中心も端もない？） 秩序だった恒星の世界、大地が動くことへの違和  直感的には地球中心説（天動説） 無視できない例外として、太陽、月、そして惑星の存在  やがて、太陽中心説（地動説）へ 太陽は、恒星の間を（“星図”の中を）西から東へ動く（“順行”）（“黄道”―1年で1周） 　　　（cf. 月の場合は“白道”：　黄道から傾き5度つまり自転面でなく公転面。27日で1周。黄道との交点18.6年で天球を1周） 　　　ただし、角速度は一定でない：　太陽は、1月に速く、7月にやや速く、4、10月に遅い 　　“均時差”（季節により1日の長さが異なる－2月（短）と11月（長）とで30分）の問題に対応 　　　　　　（太陽（“視太陽時”）とは独立な“機械時計”が発明されて初めて発覚） 　　　　地球が楕円軌道を描いて太陽のまわりを公転していること、自転軸が傾いていること 惑星は、ほぼ黄道（太陽軌道）を動く（南北8度以内）が、静止した（“留”）のち逆行することもある 赤経方向については、水星と金星（内惑星）は太陽から一定角度以上は離れないが、火星、 　　　　木星、土星（外惑星）は太陽位置には一見関係なく大きく動く 特に金星と火星は明るさ・大きさが（従っておそらく距離が）大きく変化する

17 地球中心説の工夫 －プトレマイオス（トレミー）理論を少しだけ－
地球中心説の工夫　－プトレマイオス（トレミー）理論を少しだけ－ ［二間瀬・中村］ 通称「アルマゲスト」：地球中心説に基づいたギリシャ天文学の成果の集大成 「惑星の動きは等速円運動の組み合わせで表現されるべきである」（プラトン） 「自然は真空のような無意味な空間は持たない」（アリストテレス） 「惑星の動きを数学的に詳しくより正確に記述できればよい」 内惑星と外惑星の天球上の動き方の大きな違いを説明 金星や火星の明るさ、したがって、距離の違いを説明

18 太陽中心説（地動説）は何故否定されたかー科学的議論
・ヒッパルコス： 　「地球や他の惑星が太陽の周りを円運動しているとするならば、惑星運動の見かけ上 　　の不規則性が説明できない」（コペルニクスがのちに同じ困難に直面ケプラー） 　　 楕円運動、自転軸の公転面からの傾き、他の惑星の重力の影響 ・プトレマイオス（トレミー）： 　「そもそも、自身の導円・周転円理論でだいたい説明できてしまう。」 　「地球の自転は日常経験に反する。なぜなら、40,000km/day～460m/sなので 　　雲や鳥は西へ流されてしまう」 　　 角運動量保存、地表摩擦 ガリレオの相対性原理 　　 　1851　フーコーの振り子 ・年周視差（季節による恒星の見 える方向の変化）が検出されない 　 恒星は大変遠方にあり 　　　年周視差は大変小さい 　　　（1秒（1/3600度）以下。 　　　1838年に望遠鏡を用いて 　　　ようやく測定される） ［地学図表より］

19 まとめ ー 宇宙論（1/4） ー 天の観察：天球の星図（恒星・星座） 太陽と惑星（外惑星、内惑星）の天球上における動き方 古代宇宙論・神話
　　太陽と惑星（外惑星、内惑星）の天球上における動き方 古代宇宙論・神話 ギリシャ時代の自然哲学 　　太陽中心説（地動説）と地球中心説（天動説） 　　幾何学と地球・月・太陽の大きさ・距離測定 　　プトレマイオス（ギリシャ天文学集大成） 　　アリストテレス（自然学の体系化） 地球中心説（天動説）の工夫 太陽中心説（地動説）は何故否定されたのか 　　（科学の議論のやり方）