２０１６年度 「宇宙と地球と人間」

講 義 資 料 １
1. 古代・中世の宇宙観
2. 天体物理学の黎明期

東京学芸大学 自然科学系 宇宙地球科学分野 講師

西浦 慎悟 （にしうら・しんご）

1. 古代・中世の宇宙観●天文学のはじまりa) 暦をつくる
ナイル川の氾濫の時期を知る（古代エジプト：紀元前3000年頃）

太陽のピラミッド（紀元前2世紀：メキシコ）

ストーンヘンジ（B.C.3000？〜B.C.2000年？：イギリス）→ 現代の国立天文台（三鷹市）の重要な業務b) 時刻を知る
日時計（古くは紀元前3000年！）→ 現代の情報通信研究機構（NiCT：小金井市）の重要な業務

1c) 方角を知る

1. 古代・中世の宇宙観

船舶の安全な航行を行うため（15-16世紀のヨーロッパ；大航海時代）d) 哲学の一端
淮南子（前漢：紀元前２世紀頃）「往古来今謂之宙、四方上下謂之宇」（往古来今これ宙という、四方上下これ宇という）

古代エジプト人の宇宙観

古代インド人の宇宙観

時間と空間

古代バビロニア人の宇宙観

学問としての天文学  古代ギリシアまで遡る

1. 古代・中世の宇宙観●古代ギリシアの宇宙観
紀元前８世紀頃 ポリス（都市国家）が成立。
紀元前540年頃 ピタゴラスに始まる幾何学の発達。
紀元前450年頃 ゼノンのパラドックス。レウキッポス・デモクリトスの原子論。
 現代の自然科学につながる基本概念が生まれ始めていた。

紀元前６世紀頃 アナクシマンドロス  「地球は平坦ではない」
南北に旅をすると ・北極星の高度が変わる
・異なる星座が現れる

地球は円筒形

紀元前４世紀頃 アリストテレス  「地球は丸い」
・ 南北に移動すると、北極星の高度が変化する
・ 月面に落ちる地球の影は、「いつも」円形である
月が太陽の光を反射して輝いている、月食は満月の時にのみ起こる、
 月食は太陽の光を地球が遮ることで起こる--- その他の地球球形の根拠 --・ 日の出は東の土地の方が早い・ 船が陸に近づく時、高い山の頂上から見えはじめる

21. 古代・中世の宇宙観●地球の大きさを測定する
紀元前200年頃 エラトステネス  地球の円周を測る
アレキサンドリア（エジプト）の図書館長『シエネ（今のアスワン）では夏至の正午に井戸の底に太陽が映る』
シエネ：アレキサンドリアのほぼ真南にある町『夏至の正午のアレキサンドリアで太陽の高度を測定した』→ 太陽は天頂から7.2度だけ南にずれていた→ 地図や商人・旅人の証言から二つの都市間の距離を925kmと見積もった。

7.2度
太陽光
アレキサンドリア

925 km地球を完全な球として、シエネがアレキサンドリアの真南にあると仮定すると…

360 °´ 925 km = 46250 km
7 .2 °

シエネ『理科年表（平成25年度版）』によると…
・ 地球の赤道半径：6378km→ 地球の円周 ：40074km

1. 古代・中世の宇宙観●天動説と地動説

天動説 ： 地球中心の宇宙像

月

エウドクソス、アリストテレス、プトレマイオス（紀元前400〜100年頃：ギリシア）↑永遠に変化しない世界↓常に変わり続ける世界

地上↑アリストテレス

この考え方を、後世のキリスト教神学者達は喜んで受け入れた。

↑プトレマイオス

天動説の根拠：・実際に太陽・月・星々が我々の周りを回っているように見える。
・地球が動いていれば、その勢いで人間も町も投げ出されるはず。
・地球が動いていれば、世界中で同じ方向に凄まじい風が吹くはず。
・人が真上に飛び上がれば、地球の回転によって着地位置がズレるはず。

 古代ギリシャ人は『慣性の法則』を見出してはいなかった。

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1. 古代・中世の宇宙観

地動説 ： 太陽中心の宇宙像 アリスタルコス、アルキメデス （紀元前260年頃：ギリシア）
アリスタルコス 半月の時の月−地球と太陽−地球の角度を測定する
半月太陽９０°
１８７°
地 球↑アルキメデス１９ 見かけ上、太陽は月と同じ大きさ
 太陽は月よりも１９倍遠くにある 太陽は月の約１９倍の大きさ↑アリスタルコス

さらに「月食による地球の影から、月は地球のサイズの１ / ３」月

『 太陽 ： 地球 ： 月 ＝ ６ ： １ ： １/３ 』 となるだろう
大きい太陽が、小さい地球の周りを回るのは不自然であるとして、地動説を唱える。

恒星と惑星

地球の影

1. 古代・中世の宇宙観

・ ほとんど全ての星は互いの位置関係を変化させない → 『恒星』
・ 太陽・月の他に恒星に対して数個の動く明るい星がある→ 水星・金星・火星・木星・土星 → これらは動きが極めて特殊（逆行）これらは『惑星（planets）』と呼ばれた

順行

火星

逆行

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1. 古代・中世の宇宙観

天動説と地動説 → 惑星の逆行をどう説明する？
地動説の場合火星・木星・土星は地球の外側を地球より遅い速さで回転している。
地球が火星・木星・土星を追い抜くたびに逆行する。

火星

地球

1. 古代・中世の宇宙観

天動説と地動説 → 惑星の逆行をどう説明する？
天動説の場合プトレマイオスは周転円を取り入れて、惑星の動きを説明した。

古代ギリシャ人は『万有引力の法則』を見出してはいなかった。

地球

ところが、プトレマイオスの理論は、極めて高い精度で惑星の動きを予測・説明することができた！！

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1. 古代・中世の宇宙観●ヘレニズム文化から古代ローマの時代へ
・古代ギリシア： ポリスの栄枯盛衰（紀元前８世紀〜）
ギリシアの一地方：古代マケドニア帝国が登場→ 積極的にギリシア文化を取り入れる→ 紀元前337年頃：全ギリシアを統一

・アレキサンダー大王の登場（紀元前336年〜）
ペルシヤ、エジプト、インドまでも征服→ 古代ギリシア文化と古代オリエント文化の融合（ヘレニズム文化）
ギリシア、大都市アレキサンドリア（エジプト）の発展↑アレキサンダー大王（アレクサンドロス３世）

幼年期の家庭教師
はアリストテレス

アレキサンダー大王の死後、古代マケドニア帝国は分裂

1. 古代・中世の宇宙観

・古代ローマ帝国の台頭
紀元前753年〜 王政ローマ（イタリア中部？）：神話・伝承
紀元前510年〜 共和政ローマ→ 紀元前272年：イタリア半島を統一→ 紀元前148年：マケドニアをローマ属領とする
ユリウス・カエサル（軍人・政治家）→ 紀元前45年：ユリウス暦（１年=365日）を制定
古代ローマ暦は太陰暦（月の満ち欠けを基準とした暦）の一つで、１年を355日としていた。

→ 紀元前44年暗殺
後継者のオクタウィアヌスが初代ローマ皇帝となる

紀元前２７年〜

帝政ローマ→ 313年：コンスタンティヌス１世、キリスト教を公認。
↑ユリウス・カエサル→ 380年：テオドシウス１世、キリスト教を国教とする。
→ 476年：西ローマ帝国滅亡、1453年：東ローマ帝国滅亡

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1. 古代・中世の宇宙観● 西洋科学1000年の停滞→ ローマ・カトリック教会権力の増大
円や球は完全な形である。
完全なる神が住まう天空は完全で変化しない。（天空と地上は別モノ）
完全なる天空にある星々の軌道は完全な円である。
不完全な人が住む大地は、不完全で丸くない。

 『球ではない地上』と『天動説』が主流

完全性を乱す彗星や流星は凶兆！
↑中世ヨーロッパの世界観

1. 古代・中世の宇宙観● ルネサンス（学芸復興）と大航海時代
ルネサンス＝イタリアのベネツィアから始まり、ヨーロッパ全土へ広がった芸術・学問の大きな変革。
（13世紀末〜15世紀末）
大航海時代＝ヨーロッパ人が世界中を航海した時代。その目的は商業・新航路開拓・奴隷・香辛料・布教活動など様々。
15世紀末 ： コロンブスによるアメリカ大陸発見 丸い地球の再発見
1572年、1604年 ： 超新星の出現
 天空が不変で無い可能性↑コロンブス

プトレマイオスの理論による星の運行に大きなズレが出て来た 天動説への不信感

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1. 古代・中世の宇宙観● グレゴリオ暦の制定

ローマ教皇グレゴリウス１３世が1582年に制定。カトリック国を中心に広がった。現在、世界中で使われる暦の多くは、この暦に基づいている。
地球の公転周期 = １年 = ３６５．２４２２日
ユリウス暦では１年＝３６５.２５日「１年 = ３６５日」として４年経つと
 ０.２４２２×４日 = ０.９６８８日 で約１日余る（地球の公転運動）

 ４年に１回閏年を設ける（ルール１）

1. 古代・中世の宇宙観「１年 = ３６５日＋４年に１回の閏年」で４００年経つと ４年で １日−０.９６８８日 = ０.０３１２日、０.０３１２日×(400/4) = ３.１２日 で約３日不足 ３回閏年を無くす
 西暦の年数が100で割り切れる年は閏年にしない（ルール２）
４００年間に100で割り切れる年は４回くる
 １回だけ閏年にする
 西暦の年数が100で割り切れても、さらに400で割り切れる年は閏年にする（ルール３）
この方法では３２２４年間で１日の誤差しか生じない。
（グレゴリウス１３世）

82. 天体物理学の黎明期● 地動説の復活（16世紀）
1543年 ： 太陽中心の宇宙モデル『天球の回転』（コペルニクス ： ポーランド）
コペルニクスの宇宙像 →↑コペルニクスコペルニクスは、惑星の運動を円軌道を用いて考えていた。このため、惑星の運行などを、それほど高い精度で予測することができなかった。

16世紀後期 ： 眼視による最高精度の観測データ
ティコ・ブラーエ（デンマーク）
プトレマイオスとコペルニクスの折衷案 →ティコは、自らの眼視による観測で、年周視差が検出されなかったことから、どうしてもプトレマイオスの宇宙観を捨て切れなかった。
↑ティコ・ブラーエ 恒星までの距離はティコの想像以上に遠かった。

2. 天体物理学の黎明期● 宇宙をどう表現するか？（17世紀前期）
ケプラーの法則
ティコの高精度な観測データから、惑星の運動の法則性を導出した。
1. 楕円運動（一方の焦点が太陽）
2. 面積速度一定↑ケプラー（ドイツ）

3. （太陽からの距離）3 ∝（公転周期）2（短軸 /長軸）
火星 ： 0.9956
木星 ： 0.9988
土星 ： 0.9985

10.99569

2. 天体物理学の黎明期● 宇宙を観る（17世紀前期）
望遠鏡による初めての天体観測
・木星の月（衛星）の発見『ガリレオ四衛星』

・月の凸凹（クレーター）の発見
・土星の耳（輪）の発見↑太陽以外の星を回る天体の発見↑ガリレオ（イタリア）↑土星↑月表面のクレーター↑木星とガリレオ四衛星

2. 天体物理学の黎明期

金星の満ち欠け・金星の満ち欠けの発見
地動説を採用し、金星が地球よりも内側を回っていると考えると矛盾無く説明できる。

↑金星の満ち欠けと明るさ・大きさの変化

・太陽の黒点の発見 時々刻々と位置と形を変える黒点
地球

コペルニクスの地動説を支持
2008/03/26 22:24

2008/03/31 00:00

2008/04/01 00:00（SOHO/NASA）

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2. 天体物理学の黎明期

本当に天動説は正しいのか？
全ての天体は地球を中心にして回っている。

ガリレオの思考実験
ひもでつなぐＢＡ
重たい物ほど早く落ちる

質量１

Ｃ

質量０.５

質量０.５
質量０.５

Ｔ

↑アリストテレス
斜面を使った実験を実施 ←Ｔ『落体の法則』を提唱
軽い物も重たい物も同時に落ちる

Ｔ？ or Ｔ ?

・全体の質量は１なのでＴで落ちる
・個々は質量0.5なのでＴ で落ちる

→ この二つは同時に成立しない↑ガリレオ（イタリア）

現代天文学への下準備がなされた

2. 天体物理学の黎明期● 天体物理学の時代へ（17世紀後期〜18世紀初期）
1687年 ： 『プリンキピア』（自然哲学の数学的諸原理）（ニュートン ： イギリス）

運動の法則
・第１法則（慣性の法則）：
外力が加えられなければ、質点は等速直線運動を維持する。
↑ニュートン・第２法則（運動方程式）：
質点の運動量の時間変化量は、質点に加わる力の大きさに比例し、その力の方向に作用する。

v

外力

FFFm

d
F =(m v )dt

・第３法則（作用・反作用の法則）：
二つの質点間に力が働く時、一方の質点に働く力と同じ大きさ・反対向きの力が他方の質点にも働く。

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2. 天体物理学の黎明期● 万有引力の法則

ニュートンが、ケプラーの法則をもとに導出した。

物体Ａ

惑星の運動を理解するために、微積分法を独自に開発・発展させた。同時期のライプニッツもニュートンとは独立に微積分法を確立した。

物体ＢMA

MB
R

（物体間の引力の強さ）= G

ＭＡ ´ ＭＢ
Ｒ2

太陽と地球の間の距離を１として理論を構築した。（天文単位）

ただし万有引力定数Ｇの値は不明だった。

ハレーは万有引力の法則にもとづいて、1682年に現れた彗星が、1758年から1759年に再来すると予言。
 1758年クリスマスに彗星が再来！
↑ハレー（イギリス）

ハレー彗星（1986/3/8）

天空と大地の現象が同じ法則で表現されることが示された

2. 天体物理学の黎明期● 太陽までの距離を測る
ニュートン：太陽と地球の間の距離を１として理論を構築した。（天文単位）

惑星の運動は高い精度で予測できるようになった。

天体までの絶対的な距離を如何にして測定するのか？
ハレー： 『金星の太陽面通過に、三角測量を応用することで地球と太陽の間の距離を測る』ことを後世の研究者に提案（１７１６年）。

D =a2 k tan

θ

地球a

金星

太陽
↑2004年6月8日の金星の太陽面通過θ２(1-k )DDkD122. 天体物理学の黎明期

D =a2 k tanθθ２

地球a

金星

太陽(1-k )DD

・精密な地図・精密な時計kD

地球上の遠く離れた二箇所できっかり同時に金星を観測しなければならない。

1600年代中頃： カッシーニ ＆ ピカール
三角測量による地図作製（地球全周が誤差200km以内）。
1700年代初め：振り子時計。船に積むと１日で5〜10分も狂ってしまう。

 精密かつ耐久性の高い時計が必要

2. 天体物理学の黎明期

・ ケプラーが１６３１年１１月７日の水星の太陽面通過を予測 ガッサンディ（フランス）：観測はできたが、詳しいデータは記録できなかった（担当の助手が逃げた？）。
・ ケプラーが１６３１年１２月７日の金星の太陽面通過を予測 ガッサンディ：ケプラーの予測精度が悪く、日面通過は太陽が沈んでからだった。
・ １６３９年１２月４日の金星の太陽面通過↑ガッサンディ ホロックス（イギリス）：牧師でもあり、太陽面通過は日曜日に起きた。
観察はできたが、詳しい記録までは取れなかった。
 クラブトリー（イギリス）：金星の小ささにショックを受け、記録できなかった。
水星や金星は当時考えられていたよりも、ずっと小さい（遠くにある）天体である。

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2. 天体物理学の黎明期

・ 安全な航海 ： 経度の測定が必要  精密な時計が必要
 1700年代中頃：高精度な時計が発明される（８日間で５秒の狂い）・ ハレーが予測した１７６１年と１７６９年の金星の太陽面通過
 国家プロジェクト化

誤差10％以内

メイソン＆ディクソン（イギリス）：１７６１年、アフリカの喜望峰で観測。だが二人の記録は何秒も違っていた。
パングレ（フランス）：１７６１年、マダガスカルで観測に挑むが、ずっと雨だった。
ル・ジャンティ（フランス）：１７６１年、インドに向かったが、船がコースを外れ、船上で十分な観測ができなかった。
１７６９年、インドには着いたが、その当日、曇った。
帰国途中船が遭難、流浪を繰り返して１１年半振りにようやく帰国。死んだと思われ、妻は他人と再婚し、財産は全て処分されていた。

↑クック

クック、ソランダー、グリーン（イギリス）：１７６９年、タヒチで観測を行ったが、三人の観測時刻は、誤差の範囲を超えて大きかった。

2. 天体物理学の黎明期● １８７４年（明治７年）の金星の日面通過
欧米各国が７０ケ所以上に観測隊を派遣。
日本では太陽面通過の全過程が観測可能。
 フランス、アメリカなどが観測隊を派遣
明治新政府： 『何かよくわからないけれど、欧米の進んだ科学技術を吸収するには良い機会のようだ』↑金星観測記念碑（兵庫県神戸市・金星台）

観測隊に便宜を図り、日本人にも観測技術を学ばせた（清水誠）。
長崎・横浜・神戸で観測が行われた。
 日本の正確な経度が測定された。
現在： 1AU = 1.49597870×108km↑金星の太陽面通過観測の記念碑（神奈川県横浜市）

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2. 天体物理学の黎明期

舞台はハレー彗星が戻って来た直後の時代まで遡る
良く一致している● ティティウス・ボーデの法則（太陽から惑星までの距離/天文単位） ＝ 0.4 ＋ 0.3 × ２ｎ
1766年 ヨハン・ダニエル・ティティウス
1772年 ヨハン・ボーデ↑ティティウス（ドイツ）↑ボーデ（ドイツ）

科学的根拠が無く『単なるパズルである』と批判された。

惑星ｎ法則

観測

水星

−∞

0.40.39

金星

00.70.72

地球

11.0

1.00

火星
？

231.6
2.81.52?

木星

45.2

5.20

土星

510.0

9.54？

619.6?

2. 天体物理学の黎明期● 天王星の発見とニュートン力学の成果
ハーシェル（イギリス）
望遠鏡で星の分布を調べ、宇宙の姿を探ろうとした。
→ 望遠鏡を夜空に向け、あらゆる天域の星を数えた。
掃天観測（サーベイ観測）

1781年 ： 見慣れない星を発見。
軌道を計算することで土星の外側にある惑星と判明。
↑ハーシェル

太陽からの距離は19.19天文単位（ｎ＝６）

14億3200万km
太陽

太陽系の大きさ２倍

28億8300万km
19.2天文単位

9.6天文単位

土星（NASAカッシーニ）

天王星（NASAボイジャー２号）

観測される天王星の軌道が計算と合わない  もっと外側の新惑星を示唆

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2. 天体物理学の黎明期

天王星 ： 太陽から19.19天文単位  ボーデの法則のｎ＝６（19.6）に一致
ｎ＝３（火星と木星の間、太陽から２．８天文単位）にも注目● １８０１年１月１日 ： 小惑星ケレスを発見
ケレス

ジュゼッペ・ピアッツィ（イタリア）
パレルモ天文台（シチリア）を設立

・ 火星と木星の間
・ 太陽から２．７７天文単位（HST：NASA）

・ しばらくの間は新しい惑星だと思われていた。
・ 水星の1/5のサイズ。同様の天体が同じ軌道↑ ピアッツィ辺りに続々発見される（かつて惑星だった？）。
直径約９５０ｋｍ（20世紀中は最大の小惑星だった） 1850年頃にはこれらをまとめて「小惑星」として分類されるようになった。

2. 天体物理学の黎明期

ケンブリッジ天文台

ベルリン天文台

天王星の軌道のズレから新惑星の位置を計算！

ルヴェリエは２
年遅く研究開始、予測位置算出は１年遅れ。

観測依頼↑エアリー（台長）
指示

説得↑アダムス（英）↑ルヴェリエ（仏）星図が無かったので、時間を空けて観測することで新惑星を探した。
↑チャリス↑エンケ（台長）

観測依頼

作成したばかりの星図と見比べることで新惑星を探した。

1846年 ： ガレ（ドイツ）が海王星を発見↑ガレ（助手）海王星発見の栄誉は、ルヴェリエ、アダムス、ガレの三名が受けることになった。

海王星
まだ天王星の軌道が計算と合わない（NASAボイジャー２号）
 さらなる新惑星（惑星Ｘ）の存在を示唆
海王星の太陽からの距離：30.06ＡＵ
ボーデの法則のｎ＝７は38.8AU？？？

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2. 天体物理学の黎明期

さらなる新惑星（惑星Ｘ）を求めて！
ローウェルが軌道計算をして位置予測。

ローウェル天文台（米）ローウェルの死後はトンボーが引き継いだ。
1930年 ： トンボー（アメリカ）が冥王星を発見→ 太陽系の大きさ当初の４倍に！
しかし、冥王星は小さ過ぎる↑ローウェル↑トンボー

14億3200万km
太陽→ ローウェルが予測した惑星Ｘではない！
28億8300万km

9.6AU

59億3100万km
39.5AU

19.2AU土星
トンボーの冥王星発見は偶然の産物。
ボーデの法則：ｎ＝8は67.71AU （破綻）

天王星

冥王星
（NASAニューホライズンス）「太陽を回る九つの惑星」
２０世紀の太陽系像の確立● 参考資料と引用文献など：
1) ティモシー・フェリス（野本陽代訳 1992年）：『銀河の時代 宇宙論博物誌（上、下）』、工作社（画像 ： アルキメデス肖像、コロンブス肖像、コペルニクス肖像、ティコ肖像、コペルニクスの太陽系モデル、ティコの太陽系モデル、ケプラー肖像、ガリレオ肖像、ニュートン肖像、ハレー肖像、ハーシェル像）
2) 池内了監修（2004年）：小学館の図鑑・NEO『宇宙』、小学館 （画像： 古代エジプト人・古代インド人・古代バビロニア人の宇宙観）
3) 中山茂編（1982年）：『天文学史』、恒星社
4) 矢野太平（2008年）：知りたいサイエンス『拡がる宇宙地図』、技術評論社
5) 杵島正洋、松本直記、左巻健男編著（2006年）：『新しい高校地学の教科書』（ブルーバックス
シリーズ）、講談社 （画像 ： ケプラーの法則説明図、ガリレオの木星・金星のスケッチ図）
6) 駒井仁南子（2007年）：『星のきほん』、誠文堂新光社
7) 室井恭子、水谷有宏（2008年）：『惑星のきほん』、誠文堂新光社
8) 岡村定矩（1999年）：『銀河系と銀河宇宙』、東京大学出版会
9) 東京大学木曽観測所ＨＰ（http://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/kisohp、画像 ： リニア彗星）
10) ESA/NASA SOHO ＨＰ（http://sohowww.nascom.nasa.gov、画像 ： 太陽表面画像）
11) Wikipedia（画像ファイル：太陽のピラミッド、ストーンヘンジ、アリストテレス像、プトレマイオス肖像、アリスタルコス像、アレキサンダー大王像、ユリウス・カエサル像、グレゴリオス13世肖像、ハレー彗星、金星の太陽面通過、ガッサンディ肖像、クック肖像、金星観測記念碑、金星の太陽面通過観測の記念碑、ティティウス肖像、ボーデ肖像、土星、天王星、海王星、冥王星、ピアッツィ肖像、ケレス、エアリー像、アダムス像、ルヴェリエ像、エンケ像、ガレ像、ローウェル像、トンボー像）
12) 西浦撮影（画像 ： 月、木星とガリレオ四衛星、土星）

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