天動説と地動 説

竹本信雄

茨城県立小瀬高等学校

１９８５年８月０９日　初　版

１９９５年７月１９日　改訂版

２００２年３月３１日　三訂版

２００４年９月２９日　四訂版

　地動説というと最初に唱えたのはコペルニクスであると思われてい ます。しかし，実は今から2300年も前（紀元前301年ごろ）に地動説を唱えた人がいました。古代ギリシアのア リスタルコスという人です。

　 こんなことを言うと，

「確 かにそうかもしれないが，そんな昔にはくわしい観測などできなかっただろうから，その説は頭で想像しただけで，科学的とはいえないのじゃないのかな。科学 的なしょうこをもとにして地動説を唱えたのはやはりコペルニクスが最初じゃないのかな。」

そ んなふうに思う人がいるかもしれません。本当はどうなのでしょう。アリスタルコスの考えた過程をいっしょにふり返ってみましょう。

【質問２】

　月の形を毎日見ているとイのように変わります。どうしてでしょう か。

　 月を眺めると，月は天に張り付いたお盆のようにも見えます。しかし本当は丸い球のような形をしています。月は遠くて立体的には見えないので，お盆のように 見えるのです。そして月は地球のまわりを約１ヶ月で回っています。

　 ではその月を地球から見たらどのように見えるのでしょうか。

　 まず月は光を出していないので，太陽の光が当たらないと地球から見ることができません。ですから月の太陽に面している半分だけが見えることになります。月 は丸いものなのに，いろいろな形に変わって見えるのは，太陽に照らされている月の部分だけが見えるからです。

【作 業】

半分黒く塗ったボールを月に見立てて，どんな形に見えるか試してみ ましょう。
　アリスタルコスは月を満ち欠けの様子から，空間に浮かぶ球だと見抜いていました。そして地球も太陽も月と同じように球形をし ていると考えていました。

　 では月や太陽そして地球はどのくらいの大きさなのでしょう。まず，地球から見て太陽と月はどちらが大きくみえるのでしょう。

【問題１】

月 と太陽どちらが大きく見えると思いますか。

　 予　想

　 ア．太陽の方が２倍以上大きく見える。

　 イ．太陽と月はほとんど同じ大きさに見える。

　 ウ．月の方が２倍以上大きく見える。

　 討　論

　 どうしてそう思いますか。みんなで話し合った後，観測してみましょう。観測できないときは次の話を読みましょう。

【観 測１】太陽と月の観測

�@５ 円玉の穴から太陽と月をのぞいてくらべてみましょう。

　 太陽を見るときには，色のこいプラスチックの下じきを通してみるか，太陽がしずむ直前のように光が弱まったときに見るようにしましょう。大切な目を痛めま す。

�A 天体望遠鏡（倍率80倍〜90倍位）で大きさをくらべてみましょう。

　 　天体望遠鏡で直接太陽を見ると大変です。目が目玉焼きになって失明してしまいます。ですから，口径を小さくしぼり，こい色の付いたガラス（太陽観測用サ ングラス）を接眼レンズの前に入れるなどのくふうをしなければなりません。

　 　しかし最近は，サングラスをつけても有害な赤外線が目にはいることや，太陽の熱でサングラスが割れる危険性があるので，こういう観測法は行われなくなっ ています。白い紙に投影する方法が安全です。月も満月なら紙に投影して見ることができます。

　地球から見ると月と太陽はほとんど同じくらいの大きさに見えま す。

　 そこで，月がちょうど太陽の間にはいると，太陽が月の後ろにかくされてしまうことがあります。それが日食です。

　 太陽と地球の距離は季節によって少し変わるので，地球から見た太陽の大きさはほんの少し違って見えます。

　 また，月と地球の距離も日によって変わるので，地球から見た月の大きさも変わります。

　 そこで地球から見ると，時によって月の方が太陽より大きく見えたり，小さく見えたりします。月が大きく見えるとき日食になると，太陽は月に完全にかくされ ます。こうなったとき皆既日食といいます。

　 逆に月の方が太陽に比べて小さく見えるとき日食になると，月は太陽を全部かくすことができず，太陽の周りが月からはみ出して輪のようになります。これを金 環食といいます。

　 時によって皆既日食になったり金環食になったりするくらいですから，地球から見た太陽の大きさと月の大きさはほとんど同じということができます。

【皆既日食（左）と金環食（右）】

　地球からみた太陽と月の大きさはほとんど同じです。アリスタルコ スは，「太陽と月の本当の大きさはどうなのだろう。何とか知ることはできないだろうか。」と考えました。そして，次のような方法を考えました。

「月 が半月の時，太陽は月を真横から照らしている。そのとき太陽と月がつくる角度を測れば，三角測量の方法で地球から月・太陽までの距離の比がわかるはず だ。」

　 アリスタルコスはさっそく月が半月になる時を待って測定し，87度という結果を得ました。（正しい値は89度50 分です。）

そ して太陽は月より19倍も遠いところにあることを知りました。月と太陽の見かけの大きさが同じことを考えると太陽 は月より直径で19倍も大きいことになります。

【問 題２】

　 もし昼間月が出ているのを見たら，アリスタルコスのように月や太陽，そして地球が宇宙空間に浮かんでいる様子を想像してみましょう。

　 そしてもしボールを持っていたら月の見えている方向にかざしてみましょう。ボールが太陽に照らされている部分の形は月の形と同じに見えると思いますか。

　 予　想

　 ア　そのとき見える月の形と同じ形に見える。

　 イ　そのとき見える月と同じ形に見えるとは限らない。

　 ウ　その他

　討　論

　 みんなの考えを出し合いましょう。

　 ヒント

上 の図で月−地球−太陽のなす角の正しい値は８９度５０分ですから，月と地球に降り注ぐ太陽の光は，ほとんど平行です。

　次にアリスタルコスは月や太陽が地球の何倍大きいか知る方法はな いかと考えました。そして，月食を観測すれば月と地球の大きさをくらべることができることを思いつきました。

　 満月が下の図のようにかけていくことがたまに起こります。これが月食です。

　 これは月が地球のかげに入るためです。ですから月にうつる地球のかげの形から地球の大きさがわかります。

　 そうして求めると地球のかげの直径は月の約３倍です。しかしかげは地球をはなれるにつれて小さくなるので地球の直径が月の３倍というわけではありません。 実際の地球の直径は月の約４倍です。

　 しかし，アリスタルコスは地球の直径は月の約３倍と考えたようです。

【質 問３】

　 この写真は上の図で言うと何時ごろの状態に相当するでしょう。

「地 球の300個分の大きさをもつ太陽が，ちっぽけな地球のまわりを回るなんてことがあるのだろうか。むしろその逆だ と考える方が自然じゃないのかな。」

　 アリスタルコスはそう考えて，「地動説」を発表したのです。しかし当時のえらい学者たち（ストア学派）からは，「地球が動いているだなんて，そんなバカげ た説は信じられない。そんな考えは神への冒涜だ。」と激しく非難されました。

　 アリスタルコスの推測は現在わかっている正しい値に比べると非常にひかえめなものでした。太陽は月より400倍も 遠くにありますので，太陽は地球の何と130万個分の大きさだったのです（重さでいうと地球の33万個分）。

　 しかし値はともかく，アリスタルコスは「そのように大きな太陽が，くらべものにならないくらい小さな地球のまわりを回るということこそ信じられない。」と 考えたのです。

【正しい太陽・地球・月の大きさと距離の比】

【作 業】

　 太陽や地球・月を１０億分の１に縮めた模型を作ってみましょう。

　 １０億分の１に縮めると，太陽は直径１．４ｍ，地球は１．３ｃｍ，月は３．５mmの球になります。

　 　　　　　　　　　　古代ギリシア人の考えた宇宙像

　しかしそれでは，わく星の複雑な動きは説明できません。そこでプ トレマイオスという人は，それまでの学者の考えを集大成して，わく星の動きをきわめて正確 に説明できる天動説を唱えました。わく星は単に決まった軌道上を回るのではなく，軌道上に中心がある小さな円軌道（周転円）の上を，１年の周期で回ると考 えたのです。そして，それでもうまく観測に合わないときにはさらに周転円を重ねたり，中心をずらすなどの修正をほどこしました。こうして大変良い精度でわ く星の動きを説明することに成功しました。

プトレマイオスの天動説

【質 問４】

　 当時すでに日食が起こる日を予言できるほど精密な観測が行われていました（紀元前585年タレス）。しかし，地動 説を唱える人はありませんでした。

　 一方アリスタルコスの観測は誤差だらけで，お世辞にも精密とはいえません。しかし，正しい地動説を発見しました。

　こうして十分な精度でわく星の動きを説明できることになると，天 動説に疑問をもつ人はほとんどいなくなりました。

　 しかし，問題が解決された訳ではありません。たとえば水星と金星は太陽からある決まった角度以上はなれることはありませんが，その理由は説明できません。 また，わく星が太陽のまわりを回る周期はまちまちですが，周転円の上を回る周期はなぜかどのわく星も１年です。その理由も説明できません。

　 「わく星の動きが正確に予測できるのだから，そんな細かなことはどうでもいいではないか。」
　多くの学者はそう考えていました。しかし，そうした天動説に疑問を持ち，満足できない人もいました。ポーランド人のコペルニクスです。
　「確かにわく星の位置を正確に知ることはできる。しかし，理論的には矛盾だらけだ。しかもわく星が実際どこにあってどのように運動しているのか，全く答 えてくれない。宇宙の本当の姿が知りたい。」
　コペルニクスは当時起こった古代の学問を見直す世の中の流れ（ルネッサンス）の中で，古代の学者の本を読みました。自分の疑問を解決するヒントが得られ ないかと考えたからです。そして，古代にも地動説を唱えていた人のいることを知りました。
「これだ！これが本当の宇宙の姿だ！！」
　コペルニクスはそれまで疑問に思っていたことすべてが「地動説」ならば解決することがわかり，たいへん喜びました。

コペルニクスの地動説

陽一郎「水星や金星を望遠鏡で見れば，天動説が正しいか地動説が正しいか，わかるのではないかな。」

花　子「え。どうして。」

花　子「なるほど。それじゃ，水星や金星を観察して半月型や満月型になるときがあるかどうかを調べればいいのね。」

　みなさんも，「プトレマイオスの天動説」と「コペルニクスの地動 説」の図を見比べながら考えてみてください。

　 望遠鏡で見ると，水星や金星は本当に月のように欠けたりして見えるのでしょうか。

【問題３】水星や金星は望遠鏡で見ると，

　 予　想

　 ア．いつも三日月型に欠けて見える。

　 イ．三日月型の時もあるが半月型や丸く見えることもある。

　 ウ．その他。

　討　論

　 どうしてそう思いますか。できたら望遠鏡を使って確かめましょう。

【観 測２】水星・金星の観測

　 水星はいつも太陽の近くにあるのでちょっと見つけづらいわく星です。コペルニクスは水星を１度も見たことがなかったという話もあります。でも金星は，その 名の通りたいへん明るく輝く星で，太陽からかなりはなれるのでずっと見やすいわく星です。望遠鏡を使えば昼間でも見ることができます。最も明るいときに は，肉眼で見ることもできるくらいです。

　 そして望遠鏡で観察すると，三日月型に見えるときもありますが，地球からみて太陽から最も離れたときには半月型に，地球から最も遠くはなれたときには満月 に近い形に見えます。これは地動説が正しいことのしょうこです。できたら先生に見せてもらいましょう。

金星の満ち欠け

 【水 星（左）と金星（右）】

　 ティコ・ブラーエという人は「どちらが正しいかは精密な観測で証明される」と考え，星の位置観測を続けました。

「も し地球が太陽の周りを回っているなら１年の周期で星の見える方向がずれるはずだ」と考えたのです。その結果，ティコは「わく星は太陽の周りを回り，太陽は 地球の周りを回る」という独自の天動説を唱えました。いくら精密に観測しても，星の見える方向に変化はなかったからです。

そ の後ティコは自分の説を確かめるため，16年間にわたって火星の位置変化を，肉眼としてはおどろくべき精度で観測 しました。そのたくさんの観測結果を，数学にくわしい弟子のケプラーにあずけて，なくなりました。

【質問６】

　ティコの弟子で，火星のたくさんの観測資料を使うことを許された ケプラーは，わく星の運動の法則を発見する努力をしました。ティコは独自の天動説を考えていたのですが，弟子のケプラーは，実は地動説を正しいと思ってい ました。

　 ケプラーは火星の観測結果を用いて，地球の軌道を決定しようと考えました。火星が太陽の周りを回る周期（公転周期）は687日です。687日ごとに火星は元の位置に戻ってきます。その時の火星の位置（方向）から地球の軌道を求 めたわけです。ケプラーは地球の軌道は中心のずれた円（離心円）であると考えていました。そこでその中心のずれ（離心率）と円の大きさをを求めたのです。

　 次に，そうして求めた軌道上を地球がどのように動くかという法則を見つけようとしました。そして，地球が太陽から遠いときはおそく，近いときは速いことを 知りました。ケプラーは

「わ く星の速さは太陽からの距離に反比例する。」

と いう仮説をもとに検証しました。そしてついに

「わ く星と太陽を結ぶ線分が単位時間にえがく面積は一定である。」

と いう正しい法則を発見しました。これを「ケプラーの第２法則」または「面積速度一定の法則」といいます。

　次にケプラーは，求められた地球の軌道をもとに火星の軌道を決めようとしました。火星の 軌道も当然中心のずれた円軌道だと思っていたのですがどうもうまくいきません。また，先に発見した面積速度一定の法則も正確にはあてはまりません。ケプ ラーは頭をかかえました。

「ど こが間ちがいなのだろう。角度にして８分ほどのずれがある。ティコ先生の観測は正確で誤差はせいぜい１〜２分のはずなのに。」
（角度の１分は１度の1/60です。）

　 そして，ケプラーはティコの観測結果と合わない原因をひとつひとつ検討していきましたがわかりません。そして最後に，

「そ もそも，火星の軌道を円と考えていることが間ちがいではないだろうか。」

と 考えました。これは，それまでだれも疑ったことのないことでした。

「天 の世界は完全だから軌道は円以外考えられない。」

だ れもがそう考えていたのです。

「円 でないとしたらわく星はいったいどんな軌道をえがいているのだろう。」

　 円でない軌道は無数に考えられます。それからのケプラーは，いろいろな軌道を仮定しては計算して確かめるという研究を続けました。そしてついに火星の軌道 はだ円軌道であることをつきとめたのです。

　 こうしてケプラーは

「わ く星は太陽の周りを，太陽を一つのしょう点としただ円軌道をえがく。」

と いう法則（ケプラーの第１法則）を発見しました。

【観 測３】火星の観測

　 ケプラーの法則発見のもとになった火星を見てみましょう。火星は２年２ヶ月ごとに地球に接近します。ですからほかのわく星とちがって，毎年見やすい位置に 来るわけではありません。もし，今年が火星が見やすい年でしたら先生に見せてもらいましょう。

「わ く星の公転周期の２乗は，太陽からの平均距離の３乗に比例する。」

と いうものです。ケプラーは

「こ れこそ長い間，追い求めてきた宇宙の調和だ。」

と いうことで，「調和の法則」と名付けました。
こうしてケプラーは，わく星の運動に関する３つの法則を発見しました。

　この時代まで，コペルニクスの地動説では，プトレマイオスの天動説のようにわく星の動きを正確に表すことができませんでした。長い年月をかけていくつも の周転円を使い，改良に改良を重ねた天動説の方が正確なのは，いわば当たり前なのです。しかし，ケプラーの３法則によって，地動説でもわく星の動きを天動 説と同じように正確に予測することができるようになりました。
【第１部　終わり】

　そのころ，ふり子の等時性や落下の法則などで有名なガリレオは， 自作の望遠鏡を使って宇宙の神秘をさぐっていました。そして，月のクレータや太陽の黒点，土星の輪などを発見しました。

　 また，木星の周りを回る４つの衛星を発見しました。それらの衛星は今でも「ガリレオ衛 星」と呼ばれています。その様子はコペルニクスが主張する「地動説の宇宙」の模型のようでした。ガリレオも地動説を支持していました。そして，これらの発 見をもとにして「星界の報告」や「天文対話」という本を書きました。

【観 測４】木星・土星の観測

　 できたら，ガリレオが発見したという土星の輪や，木星の４つの衛星の公転を観察してみましょう。

木星（ハッブル望遠鏡）　　　　　　　　　土星（ハッブル望遠鏡）

　 ケプラーがわく星のしたがう法則を研究して，地動説の正しいことを証明したころ，ガリレオは地動説にまつわる大きな問題を解決しました。

　 それは物体の運動に関する非常に基本的な問題です。

「地 球が動いているなら手をはなれた石が落ちている間に地面が動くので真下に落ちるはずはない。石が真下に落ちるのは地球が止まっているしょうこである。」

天 動説を支持する人はそう言って地動説を信じる人に反論しました。

　 ガリレオは，動く船のマストから石を落としても石は真下に落ちることから，

「一 定の速さで動く物体の上では，止まっているときと同じ力学法則がなりたつ。」

　 それまでは，

「物 体に力を加えなければ，動いている物体は必ず止まる。物体が動き続けるためには常に力が働いていなければならない。」

と 考えられていました。しかしガリレオは

「動 く船の上で手をはなれた石が真下に落ちるためには，石は船と同じ速さで動き続けながら落ちなければならない。したがって，『物体に力が働かないとき，動い ている物体はその速さを保って動き続ける』はずだ。」

「物 体はまっすぐに走らない場合もある。これはどうしたわけだろう。」

ニュー トンの結論はこうでした。

「た とえば動いている物体を後ろからおせば物体は加速する。反対向きなら減速する。横から力を加えれば，速さは変わらないが運動の向きが変わる。どんな場合に せよ，物体の速さと向き，つまり速度を変えるには，とにかく力が必要なのだ。」

　
　こうしてニュートンは，わく星が太陽の周りを運動するとき，その接線方向には何の力もいらないことを見抜きました。しかし，わく星に力が全然働かなかっ た ら，わく星はまっすぐ進ばかりです。実際にはわく星は直線運動を続けるわけではありません。力が働かないとしたら直進していったはずの所（Ｐ’）よりも， ずっと太陽によったところ（Ｐ”）まで軌道がねじ曲げられます。その結果として，ケプラーの言うように楕円軌道を描くのです。

　 わく星が太陽の周りを回るためには，常に太陽に向かう力が働いていれば良いことを知ったニュートンは，

「こ の力はおそらく太陽がわく星を引っ張るためだろう。」

と 考え，そのわく星を引っ張る力の法則を発見しようとしました。

　 ニュートンは数学の天才でもありました。自分で微分・積分という新しい数学を発見してしまうほどでした。

　 わく星の運動はケプラーの３つの法則で完ぺきに説明できます。ニュートンはケプラーの３ 法則が成り立つためにはどんな力が働けばよいのかを，得意な数学を使って考えました。そして，面積速度が一定というケプラーの第２法則は，「わく星に働く 力が常に太陽の方向を向いてさえいればよい」ことを証明しました。

　 また，「わく星の公転周期の２乗は，太陽からの平均距離の３乗に比例する。」という第３ 法則が成り立つためには，「その力が太陽からの距離の２乗に反比例して弱まっていく。」とすれば良いことを発見し，同時に，そのような力が働けば「わく星 の軌道はだ円になる。」という第１法則も証明できました。

　 これまでのところ，実はニュートンは何もしなかったのと同じです。なぜなら，ニュートン はケプラーが発見したことを別なことば（数式）で表現しただけにすぎないからです。実際ニュートンはこの世紀の大発見をたいしたこととは考えず，すぐに発 表しようとはしませんでした。何十年かして，ハレー彗星で有名なハレーがそれを知って，急いで発表するように促しました。それでようやく発表したのです。 そのためニュートンと独立に同じ法則を発見したフックとの間で先取権争いの論争を巻き起こすことになりました。同じようなことは微分・積分の発見について も，ライプニッツという人との間で起きました。

　 本当はどうなのでしょう。しかし，「全くの嘘とはいえないのではないか」という人もいます。その人はこう想像します。

　 当時すでにガリレオによって，木星の周りを４つの衛星が回っていることが知られていまし た。それは小さな太陽系みたいなもので，衛星は木星に引っ張られているようでした。月も地球に引っ張られてその周りを回っています。そして月というのはガ リレオによって，地球と同じく山や谷があり，大きな岩石の固まりであることがわかっていました。

　 そこでニュートンは次のように考えました。

「ケ プラーの３法則を成り立たせる力は，別に太陽特有のものではないようだ。木星と衛星， 地球と月との間に働く力も同じものだろう。ということは，どんな天体も他の天体を引っ張るとは言えないだろうか。いや，まてよ。ガリレオが明らかにしたよ うに，月は大きな岩石のようなものだ。地球だって岩の固まり。岩が岩を引っ張っている。…・。」

　 ニュートンがそんなことを考えているとき，リンゴが木から…。

「そ うだ！きっとそうだ！天体ばかりでなくすべての物体に他の物体を引っ張る力があるの だ！！月が地球の周りを回っているのは，地球が月を引っ張るから。リンゴが落ちるのも地球がリンゴを引っ張るから。地球というのは岩の固まり。岩の固まり がリンゴを引っ張る。月という岩を引っ張る。そうだとしたらそこに転がっている岩だってリンゴを引っ張っているはずだ。」

　 こうして，ニュートンはリンゴが木から落ちるのを見て，「すべての物体が他の物体を引く。」という「万有」引力の法則を発見しました。

　 ニュートンの「万有引力の法則」は，ケプラーの３法則を説明するために生みだされたのです が，ニュートンのすばらしさは，単にそれにとどまらず，月を軌道に引き止めている力が落下する物体（リンゴや石）に働く力と同じものであり，またすべての 物体間に働くものであることを見ぬいたことにあると思います。

　 こうしてニュートンは「力の法則」の一つである「万有引力の法則」と「運動の法則」を発見しました。「力の法則」は「万有引力の法則」以外にもいくつもあ りますが，「運動の法則」は一つしかありません。「運動の法則」がいくつもあって，みんな違う答えを出されたら困ってしまいます。

　月が地球のまわりを回るということは，月が地球に「落ち続けてい る」ことを意味します。

　 地上の物体は１秒間に５ｍ位落ちます。では地球の半径の６０倍離れた月は１秒間にどのくらい落ちているのでしょうか。

陽一郎　６０倍離れていると地球の引力は弱まるので落ちる距離は小さくなるのかな。

花　子　そうね。５ｍの１/６０で１０ｃｍ位かしら？

陽一郎　いや，違うよ。万有引力は距離の２乗に反比例するというのだから，１/６０の２乗で １/３６００に力は弱まるんじゃない？

花　子　あっ，そうか。計算すると，えーと，１〜２ｍｍ位かしら。

陽一郎　確かに計算ではそうなるけれど，そう単純に考えていいのかな。

【問 題４】

月 は１秒間にどのくらい落ちているのでしょう。みなさんはどう思いますか。

　 予　想

　 ア．１ｍｍ位

　 イ．10ｃｍ位

　 ウ．１ｍ位

　 エ．５ｍ位（地上と同じ位）

　 オ．その他

　 討　論

　 どうしてそう思いますか。意見を出し合ってから次の話を読みましょう。

　地球表面で物体は１秒間に正確には4.9ｍ落ちます。そして月は地球の半径の約60倍離れたところを回っています。万有引力の法則によると，引力は距離の２乗 に反比例します。ですから月の軌道あたりで地球の引力は，1/60^２＝1/3600に弱まっているはずです。

万 有引力の法則をもとにすると，

　 　4.9m/3600＝0.0014m＝1.4mm

月 は約1.4mm落ちることになります。

　 しかし，本当に月は1.4mm落ちているのでしょうか。万有引力の法則は本当に正しいのでしょうか。次にそれを確 かめてみましょう。

　 月は地球の半径の約60倍のところ，つまり384,000kmはなれたところを回っています。そこを約１カ月，正 確には 27.3日で地球のまわりを１周します。このことから月の動く速さを計算すると，

と なります。                                                  

　 では，実際に１秒間に月が落ちる距離を計算してみましょう。図で△MM''Oと△M"M'Mは相似 です。ところでＭＭ”≒ｖですから，

　 　２Ｒ：ｖ＝ｖ：ｈ　　　　　　　　　　　

　 　2×384000：1.02＝1.02：ｈ　　　　　　　

万 有引力の法則から求めた月の落下距離と，月の公転周期が27.3日という事実から求めた落下距離はぴったり一 致します。これは万有引力の法則が確かに正しいことの証明といえます。ニュートンも同じ計算をして「万有引力の法則」の正しさを確信したということです。

【問 題５】

　 月には地球の引力ばかりでなく太陽の引力も働いています。地球が月を引く力と，太陽が月を引く引力ではどちらが大きいでしょう。計算する前に予想してみま しょう。

　 予　想

　 ア．地球が引く力の方が２倍以上大きい。

　 イ．太陽が引く力の方が２倍以上大きい。

　 ウ．どちらもほとんど同じ。

　 討　論

　 どうしてそう思いますか。意見を出し合ってから，次のお話を読みましょう。

　 太陽−月間の平均距離は地球−太陽間の約400倍，太陽の質量は地球の約33万倍です。万有引力の大きさは，質量 に比例し距離の２乗に反比例するので，地球が月におよぼす引力の大きさを１とすれば太陽の引力は

つ まり，月に働く太陽の引力は地球の引力より，２倍以上大きいのです。

【質 問６】

　 太陽を中心にしてみると，月はどんな軌道を描いているのでしょう。大体の様子を描くと下の図のようになっています。実は月も太陽の周りを回っているので す。そして月に働く太陽の引力が向心力となっています。地球の引力は月の軌道を左右に揺らしているにすぎないともいえます。

　 「月が太陽の周りを回るのは地球に連れられているからで，もし地球の引力がなくなれば月は太陽の周りを回らなくなるんじゃないかな。」

　 そう思う人もいるかも知れません。いいえそんなことはありません。もし地球に引力がなかったとしたら，月は地球と同じ軌道をえがいて太陽の周りをなめらか に回ることになります。

　 スペースシャトルに乗った宇宙飛行士が船外に出て，宇宙遊泳をしている様子をテレビなどで見たことがあるでしょう。そのとき，宇宙飛行士に働く力は地球の 引力だけです。スペースシャトルが人を引く引力は非常に小さくほとんど働いていないといって良いからです。しかしそのために宇宙飛行士が地球に落ちていっ たり，スペースシャトルから取り残されたりはしません。スペースシャトルと同じ軌道を同じ速さで回ります。宇宙飛行士はいわば一つの人工衛星（人間衛星） となって地球を回りつづけます。

　 ところでそのとき，スペースシャトルの中や宇宙飛行士は無重力状態となっています。しか し，無重力状態といっても「重力（万有引力）が働いていない。」というわけではありません。「重力だけを受けた物体は，物体の質量に関係なくすべて同じ運 動をする」ので無重力になるのです。このことは「等価原理」と呼ばれ，基本的にはガリレオが発見したことです。

　アインシュタインはこの「等価原理」と「一般相対性原理」をもとに「万有引力の法則」に 代わる「一般相対性理論」を打ち立て，重力のなぞにいどみました。「一般相対性原理」というのは「特殊相対性原理」をさらに一般化したものです。「相対的 に一様な速度で運動している場合ばかりでなく，どんな運動をしている乗り物の上や中でも，物理法則は同じになる。」という原理です。

　 太陽の引力を受ける月や地球は，地球の引力を受けるスペースシャトルや宇宙飛行士と同じ ことです。月と地球は太陽の引力を受けていますが，いわば無重力空間に浮かんでいるといって良いのです。ただ地球の引力が働くために，月は地球の周りを回 ります。ですから月を地球に引き留めておくための力は，太陽の引力より大きい必要はまったくありません。

【第２部　終わり】

【引 用文献】

板 倉聖宣著「科学と方法」季節社(1969.3.25)

武 谷三男著「物理学入門」季節社(1977.4.15)

R.P.ファインマン著・江沢洋訳「物理法則はいかにして発見されたか」ダイヤモンド社(1968.9.19)

板 倉聖宣氏代表「たのしい授業」仮説社(1983.3.3〜)

仮 説実験授業研究会「月と太陽と地球」(1972.6版)

仮 説実験授業研究会「力と運動」(1971.10版)

J.ウォーカー著・戸田盛和・田中裕共訳「ハテ・なぜだろうの物理学�T」培風館(1979.12.15)

The Nine Planets A Multimedia Tour of the Solar System by Bill Arnett
 （http://www.fukuoka-edu.ac.jp/~kanamitu/study/tnp/tnp/nineplanets/）

【参考文献】

宇 宙情報センターのホームページ(http://spaceinfo.jaxa.jp/index_j.html）