――物体の運動や万物の構成要素といったテーマは古代ギリシャの哲学者の間でも議論されていたようですね。アリストテレスが「重い物は軽い物より速く落ちる」と言ったのはよく知られていますが、こうした哲学者の議論と近代物理学の違いは何ですか。

　近代物理学はガリレオ（1564-1642）から始まったと考えられます。ガリレオの特徴は物理現象を説明するのに数式を用いたことですが、それは言い換えれば、演繹的な議論の重要性に気づいたということだと思うんですね。

　ガリレオ以前の科学的な議論は、実はガリレオよりすこし後に出てくるデカルトなんかもそうですけど、物理現象を物の性質によって説明するきらいがあります。いま名前の出たアリストテレスは、物体が落下するのは物自体に下に落ちようとする性質があるからだとしたり、静止している物体Aに運動している物体Bが衝突すると物体Aが動き出すのは、物体間で「活力」が保存されるからだといったように、物自体の性質を概念化して現象を説明しています。それに対してガリレオは現象を注意深く観察し、得られたデータを基に数式を導いて、演繹的な議論ができるようにすることを目指しました。

 ――目の前の現象から、普遍的な法則を見出そうとしたわけですね。

　ガリレオ以前には、たとえば落下する物体の速度が時間とともに大きくなるという議論はまったくと言っていいほどされていません。高い所から物を落とすと一瞬止まったような状態からだんだん速くなるということは肉眼でも十分にわかるのですが、そのことにはアリストテレスさえも言及していない。しかしガリレオは、その変化にすごく注目したわけです。

　現象を物の性質によって捉える、ある概念を仮定しそれによって説明し尽くすことはまず無理である。だから、落下という運動が一体どういうふうに起きるのか、時間とともにどう変化していくのかをきちんと見極めようと考えた。

 　ただ、ガリレオの時代ははまだ精密な時計がなかったので、容器から流出する水の量で時間を計ったり、自由落下だと速すぎるので、斜面で球を転がしてそれを測定したりといったいろいろな工夫をしています。斜面にする板には溝を掘って皮を貼り、きれいに磨いて摩擦を小さくする。その上で、データのばらつきが最も少なかったブロンズの球をできる限り真球に近づけ、斜面の傾きをいろいろ変えて速度がどのように変化するかを調べました。その結果、物体の落下が等加速度運動であることを突き止めたわけです。

 　ガリレオは、物理現象が複雑に見えるのはいろんな要素が絡み合っているからだと考えました。摩擦や空気抵抗や球のゆがみ等が絡み合って複雑になっているけれど、そういったものを全部取り除いたら、非常にシンプルな原理が見えてくるはずだと。そういう予測を立てて実験をしているんです。

 ――複雑に見える現象の背後にはシンプルな法則がある。 

　そしてそれは簡単な数式で表せるはずだと。ガリレオは「宇宙は数学の言葉で書かれている」という名言を残しています。これは当時の常識からはかけ離れた、ものすごく飛躍した考えだったのですが、近代物理学の本質はまさにこの言葉に表れていると言っていいと思います。

――物が落下する要因を、物の性質に帰するのではなく、この世界をあまねく支配している法則によるものだと考えた。そこがガリレオの革新性なんですね。

　ただ、ガリレオが重力というものをどこまで考えていたのかは、実はよくわかっていません。それがはっきりしてくるのはやはりニュートン（1643-1727）の時代になってからで、ニュートンは重力を「静力学」で使われる力と同じものだというふうに考えました。

 ――静力学というのは？

 　静力学は静止している物体系に働く力を扱うもので、力の合成と分解やてこの原理、作用・反作用の法則などはガリレオやニュートンの時代よりずっと前に明らかになっていました。しかし、物体が落下するのはそこで扱う力とは別の要因だと考えられていて、たとえばおもりをつけた紐を手で持つとすると、ひもに加わっているのは手からの力であり、おもりが下に落ちようとするのは物体の性質であるというふうに、別々のものとして扱っていたんです。

　それに対してニュートンは、どちらも「力」だと考えました。ガリレオによると、物体の落下は等加速度運動である。これを、物の性質によるのではなく、物体に一定の力（＝重力）が加わるからだと考えてみよう。いま、おもりをつけた紐を手で持っておもりが動かなければ、手による力と重力はつりあっている。ということは、そこから一定の力を加えておもりを引っ張り上げたとしたら、おもりは（落下するときと同じように）等加速度運動をするはずである。このような順序でニュートンは、物体に加わる力は物体の質量と加速度の積に等しいという運動方程式を導きだしていきました。

 ――ガリレオの発見と静力学を組み合わせて、より普遍的な法則を導いたわけですね。

デカルトVSニュートン

――ガリレオがコペルニクス（1473-1543）の地動説を支持して宗教裁判にかけられた話は有名ですよね。コペルニクスも当時の常識とは異なる先進的な考え方をしていたと言えると思うのですが、近代物理学の祖であるガリレオとは何が違うんですか。

　コペルニクスは宇宙の法則を見出そうとしたというより、宇宙は幾何学的な法則に支配されているという無根拠な前提の下で思考していたということが言えると思います。これは古代ギリシャ以来の宇宙観で、プトレマイオス（83年頃-168年頃）はこの見方を基に天体の運動を説明する体系を打ち立てました。ただ、プトレマイオスの議論は地球を宇宙の中心としていたため、観測結果と帳尻を合わせるために非常に複雑なものになってしまった。コペルニクスはそれを、太陽を宇宙の中心とすることで非常に単純化してみせたわけです。

　ただ、さっきも言った通り、コペルニクスの議論も天体の運動が幾何学的な法則に従うという根拠のない前提に立ったものであることに変わりはありません。そこを批判したというか、力学的な考えに置き換えていったのがケプラー（1571-1630）やガリレオなんです。 

――ケプラーは何をした人ですか。名前はよく聞きますけど。

　ケプラーはガリレオとはほぼ同世代の天文学者で、ティコ・ブラーエ（1546-1601）が集めたデータを基に火星の公転軌道を調べ、火星が（円運動ではなく）太陽を焦点とする楕円運動をしていることを明らかにしました。さらに、火星の動きが太陽に近いところでは速く、遠ざかるにつれて遅くなることも証明した。そのことから、太陽には惑星の動きを決める何かがあるのではないか、という考え方が出てきます。 

　一方ガリレオは発明されたばかりの望遠鏡を利用して、木星にも衛星があることを発見しました。この時代には、太陽の周りを地球やその他の惑星が回っているということは――教会が認めるかどうかはともかく――かなりはっきりしていましたが、さらにその惑星の周りに、月と同じような衛星があるということがわかってくる。すると、天体間には何かしらの相互作用があり、それが天体の運動に影響を与えているのではないかという見方が出てきました。こうした議論を踏まえ、総合的に体系化したのがニュートンだということになります。

――万有引力の法則はそういう経緯で生まれたんですね。

　ちなみにケプラーやガリレオよりちょっと後の時代になりますけれども、デカルトも惑星の運動に関して独自の議論を展開しています。彼は宇宙空間には「エーテル」と呼ばれる微細な物質が渦を巻いており、天体はその渦巻きによって動いていると主張しました。

　ニュートンが主著の『プリンキピア』で仮想敵としているのは、実はこのデカルトの議論です。彼は媒質が回転する際の物体の速度分布を調べ、その結果が、当時広く受け入れられていたケプラーの第三法則（惑星の公転周期の２乗が軌道半径の３乗に比例する）と適合しないことを論拠にデカルトの説を批判しています。

　ただ、デカルトの考えってイメージが湧くんですよね。宇宙空間は微細な物質＝エーテルによって満たされており、天体はその渦に乗って動いているというのは、渦潮（うずしお）や竜巻を思い浮かべるとすんなり理解できる。一方、ニュートンの考える宇宙は真空です。何もないところを力が伝わって天体が回転するという、非常に変な考え方。なので当時はデカルトの説に賛同する人も多かったようですが、それに対してニュートンはとにかくデータと数式を用いて反駁しようとしています。

――それが近代物理学の方法論なわけですね。そして、実際ニュートンに軍配が上がったと。