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 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/ 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 1
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 ) 2
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 3
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 4 ( 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 )
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 5 ) * 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
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 6 写真はいずれも http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html 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 ] 7
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 葛飾北斎 富嶽百景 浅草鳥越の図 ( 浅草天文台 1782~ の渾天儀 ) 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 http://library.nao.ac.jp/kic hou/open/ ( 第 6, 41-43 回 ) 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.305-309) 8
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 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 ) 9
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 (1225-1274 ヨーロッパ中世のキリスト教文化期 ) ダンテ 神曲 (1265-1321 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 http://www.ne.jp/asahi/stellar/scenes/ より 10
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 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 11
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 ] 12
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 ) 13
2009 年 7 月 22 日の皆既日食 http://www.jma.go.jp/jma/index.html http://www.jma.go.jp/jma/index.html 14
http://www.jma.go.jp/jma/index.html 15
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?) 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 16
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 - 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 [ 二間瀬 中村 ] 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 17
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 ] 18
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 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 ) 19