１．目標
・天体構造をもとに，地動説の論拠を明らかにすること
２．地動説の位置づけと授業計画
・自然観，世界観の変革
地動説は，人類の歴史のなかで深く，広く，自然観，世界観の変革を迫った。その与えた影響の大きさははかり知れない。完成した力学体系から見ると何のかかわりもない地動説が，その形成過程では決定的な役割を果たした。さらに，科学の方法の確立に与えた影響の大きさも決して見逃すことができない。
・地動説は天体の構造に対する知見である コペルニクスは慣性の法則を知らなかった。それなのに，大地の動きを感じないという感覚を敢えて否定して，大胆不敵に，地動説を主張した理由は一体どこにあったのだろうか。それは，当時の天文学が，天体の本当のしくみを全く問題にせず，観測に合うように勝手につぎつぎと周転円をつけ加えていくことしかしなかったことに対して，強い疑問を感じたことに始まる。彼にとっては，感覚や現象しか見ない見方よりも現象の背後にある天体の本当のしくみこそが問題であった。
アリスタルコスが地動説をとったのも，太陽までの距離とその大きさをはかって，天体構造のおよその立体的イメージを描くことができたからであった。
ガリレオが地動説に不動の確信を持ったのも，望遠鏡によってそれを裏付ける数々の発見をしたからであった。たとえば，金星の満ち欠け一つをとってみても，それを観測するだけで本当の天体構造はどちらが正しいかに決着をつけるものであった。おそらく，このような天体構造に対する発見がなかったら，ガリレオがどこまで地動説を主張できたかは疑問である。たとえ，慣性の法則を発見していたとしても，である。それほど，天体構造に対する実体論的認識は重要であった。
したがって，この授業は，「天体構造にたいして，どれだけ生き生きしたイメージが描けるか」，この一点に焦点を絞ったということができる。
「地球が回っている」ということを，言葉の上だけで知っていてその中味を知らないことと，その中味を知っていて誰にも納得の行くように科学的に説明がつけられることとは全く異質なことである。「ガリレオは地動説を唱えて宗教裁判にかけられた」「地動説によって自然観や世界観が変わった」という話がよく知られている反面，天体構造から見た地動説の証拠はほとんど知られていない。そのため「ガリレオはスゴイ人物であった」という結果だけがひとり歩きする。自然観は，言葉の上だけでその大切さをいくら強調しても，それを変えざるをえないような具体的な内容がなければ変わりようがないのである。
ガリレオが宗教裁判にかけられても地動説を擁護しえたのは，天体構造に関する確固とした根拠をつかんでいたからであって，この根拠こそ教えるに値することではなかろうか。
・相対性原理と地動説
アリストテレスは，「大地が動いているとしたら，真上に投げたものは後に取り残されるはずだ。動いていると全く感じないのは，静止しているからだ」と考えた。実はこの論理には落とし穴があった。これに対して，相対性原理は，大地が等速度で動いていても，止まっていても，そのどちらでもよいことをのべている。大地が動いていなければおかしいということは，少しも述べていない。動いていても，止まっていてもそのどちらでもよいわけだから，絶対静止と決めつけることは論理的に不可能である。
これにたいして，地動説は動いていても止まっていてもどちらでもよいという説では決してない。太陽を中心にして，地球をはじめ諸惑星が動いていなければおかしいという天体構造に関する説である。時々コペルニクスの地動説の最大の発見は「運動の相対性」の発見だといわれる。運動の相対性発見の重要な意義を認めるにしても，地動説が｢地球は動いていても止まっていてもどちらでもよい｣というものにすぎなければ，誰がわざわざ根強い絶対静止の自然観を捨てようとするのだろうか。運動の相対性は，地動説の結果得られたものである。ガリレオの相対性原理もそうだった。天体構造から見ると，どうしても地球が動いているとしか考えられない。それなのにどうして動いていることを感じないのだろうか。それは，動いていても感覚では感じとれない法則，相対性原理があるからであった。このように，地動説はどうしても「相対性原理」という力学法則を抽出せずにはおかなかったのである。
・課題「地動説の討論会を開いて報告せよ」 地動説の授業の最後は「天動説・地動説についての討論会を，誰とでもいいから開き，話しあった内容を，班ごとにクラスで発表せよ」とか「戯曲風にまとめて報告せよ」という課題である。
「先生，昨日ね，地動説の課題やりに，○○大学へ行ってきたよ！大学の先生って背広にネクタイかと思ったら，ステテコ，ランニング姿でびっくりしちゃった。さっそく質問し始めたんだけど，先生答えられなくなってまわりの学生に，おいどう思う？と答えさせるんだもの。プリント出してなんだかんだとやってきたけど，帰る時，先生どういったと思う？君たちどこの高校？ずい分むつかしいことやっているんだね，感心したよ，だって！」
上の発言は，ある女生徒（商業高校）の班が大学へ乗り込んで，課題をやりにいった時の報告である。彼女たちの表情の中には，大学の先生でも困るような地動説の課題をやってきたぞという，一種の誇りに近い快活さがあった。
生徒は，これは面白そうだ，これなら自分でやれそうだと思うと，すごい行動力を発揮する。質問する相手も，実に創意豊かに工夫する。家族はもとより，他の高校の友達，中学生，大学生，他教科の高校の先生，さらには大学の先生にまで及ぶ。レポートは実にリアルであり，話には必ず尾ヒレがついてくる。
このような課題は生徒の自主性をひきだし，体験によって地動説の持つ意味を再認識させる。
３．授業の内容
【質問１】 太陽や月の，地球からの距離，太陽や月や地球の大きさはどうやってはかるのだろうか？これらをはかるのに何かいい方法はないのだろうか？
《話１》アリスタルコス(古代ギリシャ)の方法
今から２千年以上も昔，アリスタルコスが考えた方法を紹介しよう。
① 彼は，図１のように，月が半月のとき月と太陽のなす角θをはかれば，月と太陽までの距離の比l/Ｌが求まるというのである。
当時の測定技術は不正確であったので，正確な値をつかって計算してみよう。
θ＝89°09'（当時はθ=87°と測定）
l/L＝sin(900－θ)＝sin9'＝1/400
つまり，太陽までの距離Lは，月までの距離の約400倍もあるのである。
② 地上から見た太陽と月の大きさはほぼ同じ大きさにみえることは，皆既日食(月がちょうど太陽を隠す)からもわかる。図２は皆既日食のときと，ラップの芯を使って針穴で太陽の像を写したときの図である。
三角形の相似を使うと，太陽の大きさDも月の大きさdの400倍もあることがわかる。つまり距離の比が大きさの比になっているのである。
また図3 のようにラップの芯で太陽の像を写す実験をすると，太陽の像の大きさd’と針穴から像までの距離
l’の比はほぼ1/100となる。
これは，月の大きさと月までの距離の比であり，太陽の大きさと太陽までの距離の比でもある。
d/l＝D/L＝d’/l’＝1/100
つまり，太陽までの距離はその大きさの100倍，月までの距離もその大きさの100倍であることがわかる。
③ 地球の大きさは，月食のとき，月に写った地球の影の大きさを月と比べることによって求まる。月の大きさに比べて，月に写った地球の影の大きさは2.7倍，約3倍であることから地球の大きさは月の約4倍であることがわかった。(興味のある人は月食の配置図から地球の大きさを求めてみよう。)
以上の結果から，およその太陽と月と地球の立体的イメージを描くと，次のようになる。
ちょうど運動場(半径50m)のまん中に太陽があり地球が運動場の端を回っているとすると，太陽の大きさは50cm(太陽までの距離の1/100，ビーチボールの大きさ)，月の大きさは1.25mm(太陽の大きさの1/400，たらこの粒の大きさ)，月までの距離は12.5cm(月の大きさの100倍)，地球の大きさは5mm(月の大きさの4倍，待ち針の頭の大きさ)程度という結果になる。
2千年以上も前に，アリスタルコスが地動説を唱えたのは，太陽，地球，月の大きさや距離をはかることによって，天体構造の立体的イメージを描くことができたからであった。アリスタルコスにとって，待ち針の頭のような小さな地球の周りをビーチボールのような大きな太陽が回るのは全く考えられないことであった。
アリストテレスはいくらアリスタルコスの考えが魅力的であっても，敢えてそれを認めようとしなかった。なぜなら地球が本当に動いているならそれを感じるはずだというのである。それに彼の力学によれば「静止がものの本性」だから，動く以上強制力が働くはずだ，そのため地球はこなごなになってしまうだろうというのである。
【質問２】 次の計算をしてみよう。
(1) 地球が１日１回自転しているとすると，赤道上にいる人は何km/h の速さで動いていることになるか。地球半径は6400kmである。
(2) 地球が１年に１回公転しているとすると地表にいる人の速さは何km/h ，何km/s となるか
太陽･地球間の距離は1.5×108kmである。
(3) 地球が静止していて太陽やすべての惑星・恒星が1日に1回転するとしたとき，地球に一番近い恒星ケンタウルス座α星の速さは何km/s になるか。これは，地球が公転しているとしたときの何倍の速さか。ケンタウルス座α星までの距離は4.3光年である。１光年＝9.5×1012km
解答 (1)1670km/h (2)10万km/h， 30km/s (3)30億km/s 1億倍
地動説によると，地球は1670km/hの速さで自転し，30km/s という猛烈な速さで太陽のまわりを公転していることになる。しかし，天動説によればこの速さよりも桁違いに速い速度で天が１日に１回転しなければならないことになるのである。
【質問３】 火星の明るさは50倍ほど変化する。
これだけの明るさの変化が生じるためには，火星・地球間の距離が７倍ほど変化しなくてはならない。（明るさは距離の２乗に反比例する）。この距離の変化は天動説と地動説ではどう説明ができるか。
地動説によれば，最も明るいときの火星は地球からみて太陽のどちら側に見えるか。実際の観測結果はどうなっているか。
・これだけの明るさの変化は天動説では全く説明不能であった。図４のように，太陽を中心に地球，火星の軌道を書くと，地球に最も近い火星（図のA）と，もっとも遠い火星(図のB)の距離の差は歴然とする。しかも最も明るい火星の位置は，太陽と反対側に見えるとき(太陽が西の空に沈むと東の空に火星が見える)であり，地球に最も遠く暗い火星の位置は太陽と同じ方向に見える火星であることも予言できる。このことは観測とぴったり一致していた。
《話２》コペルニクスの地動説
プトレマイオスはアリストテレスの天動説を完成した人である。彼は惑星の複雑な動きを周転円で説明した（教科書P98 図6）。彼の理論は，観測にあわせて次々と周転円をつけ加えていくというもので，大変正確であった。観測と合うように好きなだけ周転円をつけ加えればよいから，正確なはずである。そのかわり，天体がどんなしくみになっているかは全く問題とされなかった。
コペルニクスの時代には何と79個の周転円がついていたという。コペルニクスは，こうした天のしくみを問題にせず，現象しか見ない天文学に強い疑問を抱いていた。現象はともかく本当はどうなのかと。
コペルニクスは，確かに地球が動くと感じないのは不思議だが，途方もなく大きな天が１日に１回まわるということの方がよほど不合理ではないか，大地が動くと粉々になるのなら，それよりもはるかに速く動く天が壊れることをどうして心配しないのか(質問２)と疑問を投げかける。それに，火星の明るさの変化は天動説では説明不可能であり，地動説はどういうとき最も明るくなるかにまで明確に答えてくれるのであった(質問３)。そればかりか，天動説では全く偶然的なできごとが，太陽中心のしくみ（教科書P96 図3）をもとにして考えると必然的に説明できてしまうのである。たとえば，
(ｱ) 地動説によれば，水星・金星などの内惑星がいつも太陽の近くに見えるのは当然のことであるが(教科書p96 図3)，天動説では周転円に不自然な仮定を設けねばならなかった。
(ｲ) 地動説では，複雑な周転円を考えなくても，地球や他の惑星が太陽のまわりを円運動すると考えるだけで逆行が説明できるばかりか，逆行をおこすときは，地球が外惑星を追い抜くとき，つまり，太陽と反対側に外惑星が見え，最も明るいときであると，ピッタリ予言できるのである。（教科書p97 実習9’の位置付近）。内惑星は，地球を追い抜くときに逆行をおこす。天動説ではこのような明解な説明は全くできなかった。
コペルニクスの地動説は，天文学に限らず自然観，世界観，あらゆるものの見方考え方の根本的変革をせまるもので，当時の人々に強烈な衝撃を与えた。人間の生活の場－大地に縛られた自己中心的見方が根本からひっくり返され，不動の地球は一つのさまよえる星になってしまった。人間のよって立つべき足場を取り去ってしまったのだから，猛烈な反対の声が上がって当然である。とうとう彼の書いた「天球の回転について」という本は禁書とされてしまった。
ブルーノはコペルニクスの地動説を擁護するだけでなく，太陽系は広大無辺な宇宙のなかの一つの天体にすぎないこと（閉じた世界から無限宇宙へ）を説いて歩いた。しかし，彼は捕らえられ，火あぶりの刑に処せられてしまった。
【質問４】 (1) ガリレオは木星の衛星を４つ発見した。これらの衛星の周期は，木星から遠ざかるにつれてどうなると思うか。
予想
(ｱ) 周期は長くなる。
(ｲ) 周期は短くなる。
(ｳ) 相関関係はない。
(2) それでは惑星の周期は太陽から遠ざかるにつれてどうなるだろう。このことから，最も遠くにある恒星が１日に１回まわると考えた方が合理的か，静止していると考えた方が合理的か考えてみよう。
・周期は遠ざかるほど長くなる。
＜木星の衛星の周期＞ Io 1.8日， Europa 3.6日， Ganymede 7.2日， Callisco 16.7日
＜惑星の周期＞ 水0.24年， 金0.62年， 地1.0年， 火1.9年， 木12年， 土30年
【質問５】 コペルニクスに反対する人たちはこういった。「あなたの説が本当なら，金星は月のように満ちかけするはずではないか」と。金星が満ちかけするかどうかは肉眼ではわからない。どちら本当であるかはガリレオによる望遠鏡の観測をまたねばならなかった。
では，金星は天動説・地動説の場合どのように満ちかけするのだろうか。それぞれの場合について，金星の満ちかけの様子を図５の１～８の場所ごとにかいてみよう。大きさにも注意すること。
どちらの説が実際の望遠鏡の観測と一致するか，写真によって確かめよう。興味のある人は，実際に望遠鏡で調べてみてもよい。
《話３》 ガリレオと望遠鏡
ガリレオは自分で作った望遠鏡を世界で初めて星空に向けた。そこには，今まで肉眼では全く見ることのできなかった，驚くべき世界が広がっていた。これらの新発見のすべては，２千年以上にわたって信じられていたアリストテレスの自然観をことごとく覆し，コペルニクスの地動説の正しさを確信させるものばかりであった。彼はこれらの大発見をただちに「星界の報告」として出版した(1609年)。実際，自分の目で確かめた強烈な体験は，ガリレオの生涯に決定的影響を及ぼした。彼の発見の主なものは次のようなものである。
(1) 月の表面は凸凹で，地上とそっくりである。 ガリレオの見た月の表面は「なめらかで一様な完全な球」というアリストテレスの天とは全く逆であった。山あり，谷あり，地上と少しも変わらない光景であった。ガリレオは月の山の高さまで測ってのけたのである。
(2) 地球も星のように輝いている。
我々は，地球の動きを感じることができない。それと同様，地球が星のように光っているとはとても思えない。アリストテレスは，運動と光は星だけに与えられ，地球は動かず，光るはずもないと考えた。天と地は全く別世界であった。なにしろ，動いたり，光ったりすると感じないものを否定せよという方が無茶なのである。
ところが，ガリレオは「地球が月以上に輝いている」ということを発見した。月は恒星と違って自分で光を出さず，太陽の光を乱反射して光っている。月が三日月に見えるときは，図６のような配置をしているときである。このときは，太陽の方角に，つまり，夕方西の空に月が見えるときである。図６では，地球の反射光が三日月の影の部分を照らしていることがわかる。（地球照，または月の二次光という）。これは，満月の夜など月が大地を照らしてずいぶん明るくなるのと同じ，いやそれ以上に地球は輝き，月を照らすというのである。この発見は，これまで特別な地位にあった地球が月と同様，単なる一つのさまよえる星にすぎないという発見であった。これは当時にしてみれば恐るべき発見であったに違いない。
(3) 恒星は無限の遠方にある
望遠鏡で見る惑星は丸くその大きさがわかる。ところが恒星は四方八方に光を放つばかりでその大きさがわからない。この観測は，恒星は大きさがわからないほど遠くにあることを示すものであった。恒星が遠くにあればあるほどコペルニクスの地動説には有利であった。なぜなら，星が遠いほど，１日１回猛スピードでまわるというのはいかにも不合理だからであった（質問２）。
さらに，コペルニクスの地動説が正しければ，半年ごとに星を見る角度は変わるはずであった。残念なことに，当時，この角度の変化（年周視差）は全く観測できなかった。これは地動説には決定的に不利な材料であった。ところが，恒星が比較にならないほど遠くにあるのなら，当時の技術水準ではこの角度の変化を見つけられないことになるわけである。年周視差が観測できないということは地動説には不利であったが，かえってそのことが，宇宙がいかに広大無辺なものであるかを示すものであった。
その後，年周視差は発見され，地動説（地球公転）の確かな証拠の一つと考えられるようになった。
(4) 銀河や星雲は無数の星の集り
広大無辺の宇宙には無数の星があった。望遠鏡でのぞくとすでに知られている星のまわりに想像できないほど無数の星があった。銀河も，星雲も無数の星の集りであった。
(5) 木星の衛星の発見
ガリレオの発見はさらに続く。世界中いまだかって誰の目にもふれなかった木星の４つの衛星の発見である。しかもこれらの衛星は遠くなるほど周期が長かった。遠いほど遅くなるのなら，無限遠方では静止しなくてはならない。コペルニクスの太陽中心説のミニチュアをここに見たのである。惑星は太陽から遠ざかるに連れて周期が長くなり，ついに恒星天は静止していなければならないのであった。
(6) 金星の満ちかけ
天動説で起きないはずの金星の満ちかけは，コペルニクスの地動説では，月と同様な満ちかけをするはずであった。ガリレオは「星界の報告」を書いた直後（1910年），金星に望遠鏡を向けて観測を続けた。するとどうだろう。金星はコペルニクスの予言通り，月のように満ちかけをしていくではないか。ついに見た！地動説の決定的証拠を！ガリレオは興奮した。この発見はあまりにも重大な発見であったので彼は謎文字にして公表したほどであった（質問５）。
(7) 太陽黒点の発見
ひきつづく大発見に続いて，ガリレオは1613年，「太陽黒点」を発見した。この発見によって，太陽でさえアリストテレスのいう完全な天体でなく，自転までしているという事実をつきとめたのである。
このように，ガリレオの望遠鏡による発見はすべてアリストテレス自然観をこなごなに打ち砕いてしまうような発見ばかりで，コペルニクスの地動説の正しさを確信させるものばかりであった。その後，ガリレオは宗教裁判によって地動説を捨てるように強制されたが，一度見てしまった事実を見なかったとはどうしてもいえなかったに違いない。まさにガリレオはそういう立場に立たされたのであった。
もし仮に，望遠鏡で星をのぞかなかったとしたら，ガリレオがどこまで地動説を主張できたかは疑問である。たとえ，慣性の法則を発見していたとしても，である。それほど星の観測は地動説には決定的であった。慣性の法則は地球が動いていることも認めるが，静止していることも否定しない法則である。だから，地球が動いていなければならないという理由はこの法則からは出てこないのである。
けれども，慣性の法則の果たす役割がきわめて大きかったことも事実である。それは，地球は動いていると感じない，この感じないがゆえに地動説を捨てる人たちがほとんどすべてであったからである。実は，動いていると感じないのが慣性の法則なのだ。その意味では地動説は慣性の法則をまって完成したといってもよいであろう。
しかし,これほど証拠があがったコペルニクスの地動説も,円運動を前提としていたため，観測との不一致が存在した。天動説の方がはるかに正確で,チコブラーエはこの不正確さゆえに敢えて地動説を捨てた。やがてその弟子ケプラーは惑星の楕円軌道を発見し,地動説はゆるぎないものとなった。
1851年，ガリレオの時代より300年以上もたって，フーコーは地球上のふりこの振動面が回転することを発見し，このことは地球自転の確かな証拠と考えられるようになった。
【質問６】 もし，みんながガリレオと同じ立場にたって望遠鏡で金星の満ちかけを見てしまったあとで，地動説を捨てなければ処刑するといわれたらどうするか。
(ｱ) 弾圧を覚悟の上で公然と地動説を擁護する。
(ｲ) 心のなかでは地動説を捨てないが，命が惜しいので口では地動説を捨てたという。
(ｳ) 地動説を本当に捨てる。
(ｴ) その他
・討論させると大多数が(ｲ)で，(ｴ)が少々である。どちらが正しいかなどということはしない。歴史上では(ｱ)がブルーノ，(ｲ)がガリレオの立場であったことを紹介し，次の課題を与える。
【課題】 家族や知人など誰とでもいいから，天動説・地動説についての討論会を開き，話し合った内容を戯曲風にまとめて報告しなさい。
(1) 必ず質問すること
1. 地球が自転公転していることを知っているか。
2. 地球は本当にまわっていると思うか。単なる説だと思うか。
3. まわっていることを知っているならその証拠を示してほしい。
4. 地球がまわっているとしたら，どうしてそれを感じないのか，アリストテレスは「大地が静止している確かな証拠は，真上に投げたものはもとの場所に落ちてくるからだ。もし大地が動いていたら，ものは後の方へ落ちるだろう」といったが，これに反論してほしい。
(2) 討論のなかでは，授業で習ったことをもとに自分の説を積極的に展開し，相手が納得できるようにがんばる。
(3) 相手の質問で，自分が困ったこと，話し合いの後生じた自分の疑問をつけ加えること。話し合う相手は誰でもよい。質問の順序やまとめも自分の好きなようにしてよい。クループでやってもよい。
（飯田 洋治）