基礎地学II 宇宙論（2/3）

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
http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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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。
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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ニコラス・コペルニクス（1473-1543、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（1546-1601、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］
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）
http://hubblesite.org/gallery/album/
SN 1987A かじき座（大マゼラン星雲内）
（1987.2.23 (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）
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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ヨハネス・ケプラー（1571-1630、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］
http://jp.wikipedia.org/
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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ガリレオ・ガリレイ（1564-1642、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： http://
amazing-space.stsci.edu
/eds/tools/
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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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
http://amazing-space.stsci.edu
/eds/tools/
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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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
地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
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アイザック・ニュートン（1643-1727、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： http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/PictDisplay/Newton.html
中央：http://en.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton （46歳）
右： http://amazing-space.stsci.edu/eds/tools/
（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）
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）
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）
http://www.gfd-dennou.org/library/gfd_exp/exp_j/index.htm
http://ja.wikipedia.org/wiki/
（左写真：パリ・メチエ博物館）
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
http://ja.wikipedia.org/wiki/ (自転)
太陽系の描像の確定
［地学図表より］
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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
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」
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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）
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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。
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）
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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
宇宙は有限か無限か、定常か非定常か
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「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）
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］
ハッブルのウィルソン山天文台［宇］
ハッブル宇宙望遠鏡（1990～）
［地学図表］ ［野本、ハッブル望遠鏡の宇宙遺産、岩波新書］
宇宙の大きさ
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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］
「銀河宇宙」という描像
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“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］
まとめ ー 宇宙論（2/3） ー
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地球中心説（天動説）から太陽中心説（地動説）へ
－ 中世ヨーロッパの人々の“常識”“社会通念”との戦い －
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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