ガリレオ的断絶：落体の法則と現代科学

ガリレオ的断絶の歴史

アリストテレス物理学の支配

科学史家は、ガリレオ的断絶が現代物理学の始まりを画すことで一致しています。 古代ギリシャ、紀元前約4世紀から中世の終わり（15世紀）まで、世界観は安定していました：偉大なギリシャの哲学者であり科学者であるアリストテレス（紀元前384-322）の世界観です。 形而上学と物理学の分野における彼の業績は非常に広範で、多くの文明に影響を与えました。

アリストテレスの思想は、多くの思想家やさまざまな学派の著作を通じて広まりました。 アリストテレスの著作は、「直感的な」世界を描写し、それを二つの部分に分けています：月下の世界（月の下、地球を含む）と月上の世界（月の向こう、宇宙の残り）です。 月下の世界は変化し、不完全で、腐敗可能です。それは火、空気、水、土の場所です。 月上の世界はエーテルの場所であり、不変で、完全で、腐敗しません。

したがって世界は地動説的であり、地球は空間に静止しています。当時の観察に対応していたため、誰もがそれに慣れ親しんでいました。 この世界観は、すべてのアリストテレス主義の注釈者（アリストテレスの時代）、新プラトン主義者（約300年から540年）、中世中期のアラブ人（約980年から1200年）、ユダヤ人（約1130年から1200年）、ビザンティン人（約1040年から1140年）、および中世の注釈者（約1180年から1280年）によって広められました。 もちろん、中世後期の一部の数学者、物理学者、天文学者、哲学者、科学普及家は、この地動説的世界に懐疑的でした。特にニコル・オレーム（1320-1382）とジャン・ビュリダン（1292-1363）です。

コペルニクス的断絶

アリストテレス的世界は限界に達していましたが、中世の「聖書」に完全に適合していたため、誰もそれを疑いませんでした。 ニコラウス・コペルニクス（1473-1543）によって、世界は一変しました。 ポーランドの司教座聖堂参事会員、医師、天文学者である彼は、太陽を宇宙の中心に置き（地動説）、その周りを惑星が回るという理論を展開しました。 地球はもはや中心的で静止しているのではなく、他の惑星と同じ一つの惑星でした。

深いパラダイム転換

落体の法則

1543年の著書「天球の回転について」は「広く」流布されました。 コペルニクスによって課された、哲学的かつ科学的なこの深いパラダイム転換は「コペルニクス的転回」と呼ばれていますが、科学を現代の世界に飛躍させたのはガリレオ（1564-1642）でした。

ガリレオといえば、望遠鏡を月の起伏のある表面、天の川の星々、木星の衛星、金星の満ち欠け、あるいは土星に向けている姿を想像します。 しかし、天文学における望遠鏡の使用が現代物理学の始まりを画すのではありません。

ガリレオ的断絶は、17世紀初頭、1604年頃の落体の法則の定式化によって特徴づけられます。 それは次のように述べています：獲得された速度は落下の持続時間に比例し、物体の質量と性質とは無関係である。 フランスの物理学者エティエンヌ・クライン（1958-）によれば、物理法則が「時間」というパラメータで表現されたのはこれが初めてであり、これがガリレオ的断絶です。 時間は数学的変数となり、現代物理学において決定的な役割を果たすことになります。

ガリレオの落体の法則は、私たちの感覚に反するため革命的です。 アリストテレスの直感的理論は、重い物体は軽い物体よりも速く落ちると説明するため、より正しいように思えます。しかしそれは誤りです。

二大世界体系についての対話

説得するためのイタリア語の著作

自らの発見をよりよく知らせるため、ガリレオは1632年に「DIALOGO」を執筆しました。これは二大世界体系、すなわちプトレマイオス（90-168）とコペルニクス（1473-1543）の体系についての対話です。 彼はこの著作を、当時の出版言語であったラテン語ではなく、よりよく理解してもらうためにイタリア語で書きました。 そのために三人の人物を用いました。この本のために、教皇ウルバヌス8世（1548-1644）は1633年6月22日にガリレオを非難しました。

ガリレオの本からの抜粋で、4日間にわたって三人の人物が登場します：アリストテレスの理論の擁護者シンプリチオ、正直で開かれた教養ある人物サグレド、そしてガリレオが広めたいアイデアを代表するサルヴィアーティです。

落体に関する対話

シンプリチオ：アリストテレスは、同じ媒質中では、異なる質量の物体は異なる速度で落下し、これらの速度は物体の質量に比例することを証明しました。［…］まさか、コルクの球が鉛の球と同じ速度で落ちることを証明しようとはお考えではないでしょう？

サルヴィアーティ：アリストテレスがそのように主張するために実験に基づいたとは、私は非常に疑わしく思います。［…］

シンプリチオ：しかし彼自身の言葉は、彼がその現象を観察したことを示しています。なぜなら彼は「我々はより重いものが…」と言っているからです。この「我々は見る」という表現は実験をほのめかしています。

サグレド：しかし、私が実際に試した者として、シンプリチオさん、申し上げますが、百ポンドまたは二百ポンド、あるいはそれ以上の砲弾は、半ポンドのマスケット弾に対して、地面に到達する際に一手幅の差もつけませんでした。たとえ落下の高さが百キュビットであってもです！

シンプリチオ：鉛のしずくが砲弾と同じ速さで落ちるとは、信じがたいことです。

サルヴィアーティ：［…］シンプリチオさん、多くの人々の例にならって、私が言ったことのうち真実から髪の毛ほどの厚さしか外れていないある事柄に集中して、アリストテレスが犯した綱のような大きな誤りを見ないようにしてほしくはありません。アリストテレスはこう書いています：「百ポンドの鉄の球が百キュビットの高さから落ちると、一ポンドの球が一キュビットだけ降下する前に地面に到達する」。私はそれどころか、同時に到着すると言います。あなたはただ実験をすればよいのです。そうすれば、大きな球が地面に触れる瞬間、もう一方はわずか二本の指の距離にあることがわかるでしょう。そしてあなたは今、その二本の指の背後に、アリストテレスの九十九キュビットを隠し、私の微小な誤りを強調して、彼の甚大な誤りを黙過しようとしているのです。

シンプリチオ：いずれにせよ、真空の中で、もしそこで運動が可能なら、羊毛の一片が鉛の塊と同じ速さで落ちるとは信じられません。

サルヴィアーティ：ゆっくりと、シンプリチオさん［…］、むしろあなたを啓発するこの推論をお聞きください。私たちは、抵抗がゼロの媒質中で、非常に異なる質量の物体に何が起こるかを探求しています。［…］絶対に空気のない空間だけが、私たちに答えを知覚させるでしょう。そのような空間は存在しないので、私たちは抵抗の少ない媒質で何が起こるかを、より抵抗の多い媒質と比較して観察します。そして、異なる物体が、媒質が通過しやすいほど速度の差が少なくなることがわかれば、［…］真空では速度がすべて等しくなるであろうことを、高い確率で認めることができるでしょう。［…］非常に異なる質量の二つの物体を取り、ある高さから落としてその速度が等しいかどうかを観察する実験には、いくつかの困難が伴います。実際、高さが大きいと、媒質は軽い物体をはるかに妨げ、長い距離では軽い物体が遅れるでしょう。［…］しかし、同じ形で同じ材料からなる二つの物体を取り、一方の質量を減らすと同時にその表面積も減らすと、速度の低下は起こりません。［…］したがって、媒質の抵抗が完全に排除されれば、すべての物体は等しい速度で落下すると結論します。

ガリレオの斜面の実験

落下を遅らせる装置

当時の手段で落体を研究するために、ガリレオは巧妙な実験を考案しました：滑らかな斜面の上で球を転がすことによって落下を遅らせたのです。この方法により、重力の効果が減少し、完全に研磨された球形の青銅の球が自重に駆られてゆっくりと転がります。この装置により、肉眼で容易に観察できる持続時間を測定することができ、自由落下では不可能であったでしょう。

落下の法則の定式化

多くの繰り返し試行の後、ガリレオは落体の法則を定式化することができました。彼は特に、獲得された速度が落下の持続時間に比例し、移動距離が時間の二乗に比例することを確立しました。厳密な実験方法によって得られたこれらの結果は、アリストテレスの定性的物理学との断絶を画し、等加速度運動の基礎を築きました。