平らな地球：近代天文学の誕生 #5

天文学者コペルニクス、あるいは神との対話
作者：ヤン・マテイコ（1838–1893）、制作年：1873年、所蔵：ヤギェウォ大学博物館（ポーランド、クラクフ）

近代における科学

近代において、科学は中世の神学的・権威主義的な思想体系から脱却し、観察、実験、数学的証明に基づく体系へと発展した。ルネサンス期に始まったこの変革は、コペルニクス、ケプラー、ガリレオ、ニュートンといった科学者たちの業績により、16世紀から17世紀にかけて頂点を迎えた。中世においてアリストテレスやプトレマイオスの著作が疑いなく受け入れられていたのに対し、近代では自然は数学的言語で書かれた書物と見なされ、体系的な実験を通じて検証された。この時代に発展した科学的メソッドは、仮説の実験的検証に焦点を当て、中世のスコラ的方法から完全に決別した。

天文学におけるこの革命はさらに顕著であった。コペルニクスの1543年の著作『天球の回転について』を起点に、地球を宇宙の中心に据えたプトレマイオス的モデルは、太陽中心の体系に取って代わられた。中世の天体観は、完全な円や水晶球、物理法則ではなく幾何学的構造によって支配されると考えられていたが、ケプラーの楕円軌道と数学的法則、ガリレオの望遠鏡による観測（木星の衛星、金星の位相変化、月の山脈）、そして最終的にニュートンの万有引力の法則によって完全に変容した。天体の現象は地球上の現象とは異なる法則で支配されているという中世の理解は打ち砕かれ、宇宙のあらゆる場所に適用される普遍的な物理法則という考えが現代に定着した。そして数学、観測、実験的証拠が科学の根本的基盤となり、聖典の権威に取って代わった。

天文革命の立役者たち

天文学革命、あるいはコペルニクス的革命とは、16世紀から17世紀にかけて起こった宇宙論と天文学における根本的な変革を指す。この革命は、千年以上も受け入れられてきたプトレマイオスの地動説（地球中心説）を覆し、代わりに日心説（太陽中心説）が確立されることにつながった。当初は単なる数学的仮説として提唱されたこのモデルは、観測的証拠、望遠鏡発明による発見、物理理論の発展によって次第に支持されるようになった。この革命は天文学的変化であるだけでなく、人類が宇宙における自らの位置を認識する方法や科学的方法論の基盤を変革した知的断絶でもあった。

ニコラウス・コペルニクス（1473-1543）は、この革命の最初の設計者として、1543年の著作『天球の回転について』（De Revolutionibus Orbium Coelestium）において、地球は宇宙の中心ではなく、太陽の周りを公転する惑星の一つであると主張した。ポーランド生まれの聖職者・医師・天文学者であったコペルニクスは、プトレマイオス体系の数学的複雑さに悩まされ、より簡潔で美的なモデルを模索した。彼の体系は、地球を中心から外し代わりに太陽を置くことで、惑星の動きをより単純に説明した。しかしコペルニクスは当時のパラダイムから完全に脱却できず、円軌道は維持したまま周転円を減らすことに満足せざるを得なかった。死の床で出版された彼の著作は生前大きな反響を呼ばなかったが、後世に革命をもたらした。

ガリレオ・ガリレイ（1564-1642）は、天文革命の第二の立役者として、1609年に自ら開発した望遠鏡を天に向け、画期的な観測を行った。イタリアの物理学者・天文学者は著書『星の使者』（Sidereus Nuncius）において、月の山岳構造、木星の衛星、月と同様の金星の満ち欠け、そして無数の星々から成る天の川を描写した。これらの観測は、天体は「完全」で「不変」であるというアリストテレスの理解に大きな打撃を与え、金星の満ち欠けはコペルニクス説によってのみ一貫して説明できた。コペルニクス説を擁護したガリレオはカトリック教会と対立し、1633年の有名な裁判で自らの見解を撤回することを余儀なくされた。しかし、彼の観測と彼が開発した力学理論は、コペルニクス体系の観測的基礎を形成した。

ガリレオ・ガリレイの肖像
画家：ユストゥス・スステルマンス（1597-1681）、制作年：1636年頃、所蔵：ウフィツィ美術館、イタリア、フィレンツェ

ヨハネス・ケプラー（1571–1630）は、この革命の数学的構造を完成させた第三の建築家であり、ティコ・ブラーエの精密な観測データを用いて惑星運動を説明する三つの基本法則を定式化した。ヨハネス・ケプラー（1571–1630）は、天体の運動の数学的構造を完成させた第三の設計者であり、ティコ・ブラーエの精密な観測データを用いて惑星運動を説明する三つの基本法則を定式化した。彼の著作『新天文学』（Astronomia Nova, 1609）および『宇宙の調和』（Harmonices Mundi, 1619）において、 ケプラーは、惑星が太陽の周りを円軌道ではなく楕円軌道で公転すること（第一法則）、等しい時間内に等しい面積を掃くこと（第二法則）、公転周期の立方が太陽からの平均距離の二乗に比例すること（第三法則）を実証した。数学的調和と物理的原因を求めるアプローチにより、ケプラーはコペルニクスが始めた革命を物理的基盤に据え、ニュートンの万有引力の法則への道を開いた。楕円軌道に関する彼の理解は、完全な円に基づくギリシャ宇宙論からの決定的な決別を意味する。

太陽中心説（ヘリオセントリックモデル）

地動説（太陽中心説）は、太陽が宇宙の中心に位置し、惑星（地球を含む）がそれを周回する宇宙論体系である。このモデルは16世紀、ニコラウス・コペルニクスが1543年の著作『天球の回転について』で提唱し、二千年以上も受け入れられてきた地動説（地球中心説）に異議を唱えた。コペルニクスのモデルでは、地球は通常の惑星に格下げされ、自転と公転の両方を行うことになり、科学的・哲学的観点から革命的なパラダイムシフトを引き起こした。

ヨハネス・ケプラーはコペルニクスのモデルを大幅に発展させ、惑星が円軌道ではなく楕円軌道で運動すること、またその速度が太陽からの距離に応じて変化することを発見した。彼が1609年と1619年に発表した著作で提示した三つの法則（楕円軌道、等時間等面積、軌道周期の立方と距離の二乗の関係）は、惑星の運動を極めて高い数学的精度で記述することができた。一方ガリレオ・ガリレイは、1610年に望遠鏡を用いた画期的な観測（金星の位相変化、木星の衛星、月面の山脈）により、天動説モデルに対する重要な観測的証拠を提供した。

天動説は、1687年にアイザック・ニュートンが著書『プリンキピア』で提唱した万有引力の法則と運動の法則によって、その物理的根拠を得ました。ニュートンは、ケプラーが数学的に定義した惑星運動の理由を説明し、天動説を科学的な現実のものとしました。これらの物理理論は、惑星が太陽の周りを公転する理由と、惑星が軌道上に留まる仕組みを説明することで、このモデルの整合性を強化しました。

その後数世紀にわたる観測技術の進歩により、太陽中心説は最終的に確認されました。1729年、ジェームズ・ブラッドリーは星光の収差（偏向）を発見し、地球の運動の間接的な証拠を提供しました。一方、1838年、フリードリッヒ・ベッセルは、61 Cygni の視差を測定することで、地球が太陽の周りを公転していることを直接証明しました。1851年、レオン・フーコーの振り子実験により、地球の自転が視覚的に実証されました。これらの観測的証拠は、赤道の膨らみやコリオリの力などの物理的証拠と相まって、地動説の正確さを決定的に証明しました。

地動説の受容は、天文学における変革だけでなく、科学的方法論の変革をも象徴している。権威や伝統ではなく、観察、実験、数学的一貫性、批判的思考に基づく現代的な科学理解は、この革命によって形作られた。宇宙の中心から普通の惑星へと地球の地位が変容したことは、人間中心主義的世界観を揺るがし、近代科学思想と啓蒙時代の基礎を築いた。今日、地動説はより広範な銀河系モデルや宇宙論モデルの一部として受け入れられており、太陽系の基本構造を正確に説明している。

地動説の特徴：

1. 太陽は太陽系の中心（または中心付近）に位置している。
2. 惑星（地球を含む）は太陽の周りを公転する。
3. 月は地球の衛星として地球の周りを公転する。
4. 地球は1日で自転し、1年で太陽の周りを公転する。
5. 惑星の軌道は楕円であり、太陽はこの楕円の焦点の一つに位置する（ケプラーの第一法則）。
6. 惑星は太陽に近づくにつれて加速し、遠ざかるにつれて減速する（ケプラーの第二法則）。
7. 惑星の公転周期の二乗は、太陽からの平均距離の三乗に比例する（ケプラーの第三法則）。
8. 惑星の運動は万有引力の法則によって支配される（ニュートンの貢献）。
9. 惑星の見かけの逆行運動は、地球がより速くまたは遅く動く惑星を追い越すことによって生じる遠近法効果として単純に説明される。
10. 恒星に視差運動が見られないのは、それらが太陽系から非常に遠く離れているためである。
11. 季節は、地球の軸の傾きと太陽の周りの自転によって説明される。
12. 金星と水星は常に太陽の近くに見え、地球に対して満月相を観測することができる。