地球が太陽の周りを回っていることを示す方法

私が教えるのが好きな授業の一つは、「初等教育のための物理」です。これは、将来小学校1年生から6年生くらいの先生を目指す人のニーズに応えるために設計された物理の授業です。授業を進めるために、私は長年、おそらく13年くらい前から「Next Gen Physical Science and Everyday Thinking」のバージョンを使っていますが、本当に素晴らしい教材です。

このコースの主要な目標の一つは、学生が科学の本質、特に科学とはモデルの構築と検証であるという考え方を理解できるようにすることです。コースを通して、学生はデータを収集し、独自のモデルを構築するだけでなく、太陽系の地動説（太陽中心モデル）など、既存の科学モデルについても学びます。

しかし、地球が太陽の周りを回っていると単純に仮定することには問題があります。人類は長い間、太陽系について別のモデル、つまり地球中心モデルを信じてきました。今日、どのモデルが正しいのか、あるいは重要なのは、それが最良のモデルであるとどうやって判断できるのでしょうか？教科書に書かれていることだけに頼るしかないのでしょうか？

答えはノーです。太陽系の太陽中心モデルを裏付けるために、簡単な道具を使って観察できる3つの事柄についてお話しします。自分で理解できるのに、くだらない教科書に頼る必要なんてあるでしょうか？

金星の満ち欠け

この観察には双眼鏡と少しの時間が必要です。まずは、あなたのいる場所から金星（惑星）がいつ見えるか調べましょう。Googleで簡単に検索すれば答えが見つかるはずです。もし今見えていなくても、数週間待てば再び見えるはずです（朝4時に起きなくても）。

双眼鏡で金星を見ると、あることに気づくはずです。まず、明らかに恒星ではありません。次に、円形ですらないのです。金星の形は月の満ち欠けに似ているはずです。なぜなら、金星には満ち欠けがあるからです。そう、金星は「三日月」のような形をしていることもあるのです。

しかし、これは太陽系の地動説と地動説にどのような影響を与えるのでしょうか？まず、月の満ち欠けの原因を思い出してみましょう。簡単に言うと、月の半分は太陽に照らされています。私たちは月を様々な角度から見るため、照らされた半分の一部しか見えず、これが満ち欠けの原因となります。金星についても全く同じことが言えます。

つまり、金星が三日月形の満ち欠けをしているなら、私たちは金星の「裏側」を見ていることになります。金星が満ち欠けをしているなら、私たちは「表側」を見ていることになります。これが起こり得るのは、金星が太陽の周りを回っている場合だけです。でも、ちょっと待ってください！だからといって、太陽系が必ずしも太陽中心説である必要はありません。地球が中心にあり、太陽が地球の周りを回り、金星が太陽の周りを回っているという可能性はまだあります。奇妙に思えますが、可能性はあります。

木星の衛星

双眼鏡で見えるものがもう一つあります。木星を見てみてください（空に見える時）。まだ試したことがないなら、ぜひ試してみてください。信じてください。本当に素晴らしいですよ。木星の細かい部分までは見えませんが、 4つの大きな衛星は見えます。そう、双眼鏡を使えば木星の衛星が見えるんです。

しかし、これらの木星の衛星は太陽系モデルについて何を示唆しているのでしょうか？金星の満ち欠けと同様に、これは地動説が間違っていることを証明するものではありません。しかし、これらの衛星が地球ではなく木星を周回していることは明らかです。つまり、地球が万物の中心ではないということです。

火星の逆行運動

これは定番の方法です。望遠鏡などは必要ありません。少しの忍耐力があれば大丈夫です。やり方は次のとおりです。夜に外に出て、背景の星々に対する火星の位置に注目してください。次の夜も同じことをすると、火星の位置が（背景の星々に対して）変わっていることに気づくでしょう。実は、すべての惑星がこのように振舞うのです。だからこそ、惑星は恒星ではないと分かるのです。

しかし、火星の動きを追跡し続けると、特別な時期を除いて、火星は東へ移動していることに気づくでしょう。時折、火星は短時間西へ移動した後、再び東へ移動します。これは逆行運動と呼ばれます。

さて、火星が地球を周回する地球中心モデルを考えてみましょう。毎晩、火星は東へ移動していきます。これは理にかなっています。しかし、西へ移動する時はどう説明するのでしょうか？全くおかしな話です。

さて、ちょっと楽しみのために、火星の逆行運動のモデルを作ってみます。火星の位置を毎日プロットすると、こんな感じになります。注：これは実数ではなく、単なる例です。

火星（偽の火星）の角度位置は、-90度から90度（そして再び-90度）まで増加し続けます。これは偽の時間単位の10倍（偽の時間単位）あたりまで続きます。火星が少しの間、逆方向に動いているのが分かりますか？ドカーン。これが逆行です。

これがこのグラフを作成するための惑星の運動です。このモデルを（Pythonで）再実行する必要がある場合は、「再生ボタン」をクリックしてください。

このモデルでは、地球と火星はどちらも太陽の周りを公転していますが、縮尺通りではないことにご注意ください。実際には、公転を引き起こす力が反二乗則の力（実際の重力と同じ）であること以外は、何も正しくありません。つまり、惑星の角速度は軌道距離とともに減少します。地球は火星よりも「速く」公転しています。地球が火星を追い越すこの領域で、逆行運動が発生します。

太陽中心モデルを用いると、火星の逆行運動は簡単に説明できます。しかし、繰り返しますが、それで太陽中心モデルが「証明」されるわけではありません。しかし、これら3つの実験をすべて組み合わせると、2つの選択肢が考えられます（もちろん、必要であればさらに多くの選択肢を見つけることもできます）。選択肢A：地球と火星はどちらも太陽の周りを回っています。選択肢B：火星と太陽は地球の周りを回っていますが、火星の軌道は非円形、あるいは何らかの奇妙な形をしています。また、金星は依然として太陽の周りを回っています。選択肢Aの方が単純に思えます。では、太陽系の太陽中心モデルを採用しましょう。

地球中心説を支持する議論

念のため確認させてください。この3つの実験をする前（きっとやったと思いますが）に、地球中心説に固執するのはそれほど突飛な考えではありません。教科書を読んだこともYouTube動画を見たこともなかったら、地球が太陽の周りを回っていると思いますか？私はそうは思いません。地球が1日に1回転しながら、秒速30キロメートル（太陽の周りを1年で一周するのに必要な速度）で動いているとは到底思えません。

地球が回転していたら、私たちは飛び立つことができないでしょうか？鳥は地球に追いつくのに苦労するのではないでしょうか？実際、地球が動いているようには感じられないのです。太陽系の地動説は、より良いデータを集めるまでは完全に理にかなっています。あるいは、科学の性質に照らして言えば、いくつかのモデルは、より多くのデータを集めると、それが良くないという結果が出るまでは、かなり良いものです。それが科学のあり方です。

太陽中心説を支持する証拠はあるものの、歴史的には依然として大きな問題が一つありました。地球が太陽の周りを動いているとすれば、星の位置も見かけ上ずれているはずです。これは恒星視差と呼ばれます。視差とは、スマートフォンがカメラの視野内に仮想オブジェクトを配置するために用いるものです（AppleのiOSのARkitのように）。しかし、恒星視差を検出するのは非常に困難であることが判明しました。星は非常に遠くにあるため、そのずれは粗悪な望遠鏡では検知できないほど小さいのです。より優れた望遠鏡はより優れたデータをもたらし、それによってより優れた太陽系モデルが構築されました。

もう一つの例は、フーコーの振り子です。これは基本的に、地球の自転によって振動面が変化する長い振り子です。組み立てが難しいので、上では省略しました。しかし、実際に作ってみれば、太陽系の太陽中心モデルを裏付けるさらに優れたデータが得られます。

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