惑星の軌道はなぜ楕円形なのでしょうか?惑星運動理論の発展の歴史

数年前、私は天文学者に何気なく尋ねました。「なぜ惑星の軌道は楕円形なのですか？」天文学者はためらうことなく答えた。「ニュートンの万有引力方程式を使って解くと、楕円が得られます。」その時はショックを受けました。アシモフが次のように書いたのも不思議ではない。「科学史家のほとんどは、ニュートンが史上最も偉大な科学者であるとすぐに口を揃えて言うだろうと思う。」天体の動きの謎を本当に解明したのはニュートンでした。彼の万有引力の理論により、惑星の動きを正確に計算できるようになり、日食や月食を秒単位で予測できるようになり、現代天文学の基礎が築かれました。

数年後、私は突然ショックを受けました。この答えは答えではないようです。ニュートンは楕円は楕円であると言ったのでしょうか? ——彼は神様ですか？ニュートンが楕円であると結論付けたのは、軌道が楕円だからであるはずです...では、なぜ軌道は楕円なのでしょうか? …

惑星の運動に関する最も古い理論であるプトレマイオス体系は、古代ギリシャで生まれました。 「当時」太陽は地球の周りを回っており、その軌道は完全な円でした。コペルニクスが地動説を提唱するまで、人々はこの理論体系を1000年以上維持していましたが、軌道は依然として円形でした。研究が深まるにつれ、ケプラーは惑星の軌道が楕円形であると提唱しました。これがケプラーの第一法則です。ケプラーとニュートンを比較して、ニュートンはさらに楕円軌道の理由、つまり万有引力（実際には、神が接線方向に最初に押した力という、もうひとつの恥ずかしい理由もある）を示し、こうして天文学は物理学の時代に入った。

ホーキングは、科学一般向けの書籍『時間の簡潔な歴史』を極めて簡潔な言葉で執筆した。唯一異例だったのは、本の冒頭と最後で同じテーマを繰り返していたことだ。科学理論は科学者の頭の中にある単なる数学モデルにすぎない。なぜ彼はこの点を特に強調したのでしょうか?

若い頃、フランスの天文学者ラプラスは、ナポレオンから、なぜ彼の最高傑作『天体力学』で神について触れていないのかと尋ねられたとき、きっぱりとこう答えました。「私は神の存在を前提とする必要はありません！」もし神の仮定が必要ないなら、どのような仮定が必要なのでしょうか？

人間の一般的な思考習慣では、すべての結果には常に原因があり、その原因は具体的かつ現実的である必要があります。しかし、科学においては、これは必ずしも当てはまりません。それは何ですか？

天文学の話を少し離れて、化学について思い出させてください。近代天文学と物理学の創始者はニュートンであり、近代化学の創始者は、近代化学の基本理論である酸化理論を創始したラボアジエです。彼以前には、「フロギストン説」と呼ばれる理論が一般的であり、燃焼は可燃性物質中のフロギストンを消費する過程であるとされていました。しかし、実験を重ねるうちに、多くの物体は燃焼後に軽くなるどころか重くなることが発見されました。それ以来、フロギストン説は明らかに支持不可能なものとなった。こうして酸化の理論が生まれ、近代化学が誕生しました。人々が不思議に思うのは、人間が自然現象の発生を予測できないということだ。燃焼後に重くなる物体が今まで存在しなかったとしたら、人類はいつ酸化の概念を確立したのでしょうか?実際、人間の認知は常に自然によって制約されています。しかし、歴史は仮定に基づくことはできないし、またその必要もないというのは事実であり、私は人類の英知に対する信頼に基づいて、酸化理論が必ず出現すると信じています。 （話は逸れますが、「フロギストン説」が生まれたのは、当時の人々が空気を物質として捉えていなかったからだそうです。）

このように、科学は人間と自然をつなぐものであると言えます。比喩的に言えば、新郎、新婦、仲人は実在の人間であり、科学理論は彼らを結びつける伝説の赤い糸です。

科学の最も基本的な目標は、自然界のさまざまな現象間の関係を説明することです。人工的に作られた科学理論、科学的な定義、科学的概念は必ずしも現実的ではなく、むしろ表現の一形態です。磁力線が磁場を説明する概念であるのと同様に、磁力線が具体的に存在するかどうかは重要ではありません。重力理論の正しさを信じることと、重力というものが存在すると固く信じることは、別のことだとも言えます。 (これは解決しなければならない本当の問題ではないかもしれませんが、少なくともビジョンと広い心を意味します。) 重要な点は、より優れた、より高度な科学理論が、精度などの人間の認知レベルを向上させるということです。したがって、実質的な答えの追求をあきらめるつもりがある限り、テキストの冒頭にある答えは実際には受け入れられます。結局、ニュートン自身も神について言及しなければならなかったのです。 (理論の正しさは結果志向であることを認めなければなりません。データが正しければそれは良いデータであり、理論が正しければそれは良い理論です。)

したがって、科学は自然の謎を解くものなのです。いかなる理論的な結果も現実には厳密に確認することはできません。それが 1 でも、2 でも、3 でも、π でも、点でも、線でも、面でも、直角でも。すべての結論は、人間の思考を自然現象に当てはめたものに過ぎません。

いかなる理論も仮定に基づいています (仮定がいかに合理的で明白であっても、本質的には仮定のままです)。そして、理論の合理性に対する現代の要件は、その内部の一貫性だけです。この認知方法は数学、幾何学、ガウスから始まりました。彼はユークリッド幾何学における平行線公理の証明不可能性を疑問視した最初の人物であった。公理は証明できず、また証明する必要もないので、その後の推論で閉じた自己矛盾のない論理体系を形成できる限り、公理を任意に作成および選択することが許されると思われます。ガウスにはそれを公表する勇気はなかったが、ロバチェフスキーやリーマンなどその後の世代の数学者たちは徐々にさまざまな非ユークリッド幾何学体系を確立し、一般相対性理論の出現によって初めて現実の花が咲いたのである。

現在流行している理論は、現在の状況下で完全に実験的に検証された理論です。物理学者ファインマンは「実験はあらゆるアイデアの正しさを測る唯一の試金石である」と言いました。哲学者ポパーの反証理論は、参考となる補足的な考えを私たちに提供しています。つまり、現在正しいと証明されているすべての理論は、実際には、物体が燃えると重くなることが発見されていなかった時代の「フロギストン説」のように、まだ間違っていると証明される機会がなかった理論であるということです。

科学は深化・発展できる特徴を持っています。おそらくいつの日か、重力の法則に完全に取って代わる新しい理論が開発されるだろうが、ニュートンが依然として最も偉大な科学者であることに疑いの余地はない。なぜなら、彼の偉大さは理論の正しさだけではなく、人間の認識の拡大にあるからです。

集団の観点から見ると、科学者の間では能力や研究分野の深さに差があるため、他者、特に専門家の検証済みの結論をそのまま引用することは間違いではありません。フランス革命の激動の中でラヴォアジエの首が無慈悲に切り落とされたとき、私たちの天文学に近かったラグランジュは嘆いた。「この人ほど賢い頭脳は、あと100年は現れないだろう！」しかし、科学そのものは英雄主義を排除します。偉大な科学者は誰でも間違いを犯す可能性があり、間違いを犯した実際の経験さえ持っています。それが正しいかどうかを測る最良の方法は、「教授は口が大きく、講師は口が小さい」というのではなく、いつでもどこでも、ほとんど数え切れないほどの回数検証することです。これは矛盾です。

科学の観点から見ると、どんな理論も誤りがあり、常に向上し続ける認知の階段の一歩に過ぎません。たとえば、現在では完全に禁止されているDDTは、かつてはノーベル賞候補の有力候補だった。この意味で、特定の理論は歴史的なものであり（奴隷制が史的唯物論によれば歴史的現実であるのと同じように）、もし証明されたすべての誤った理論が科学から排除されれば、より学術的な言い方をすれば、科学はその歴史を失うことになるでしょう。特定の時点で一般的に受け入れられている理論とは、過去、現在、未来を問わず、その時点でのすべての証拠に基づいて人間の知性によって得られる最適な認知的解決策です。絶対的な真実など存在しません。改善が必要な領域は常に存在します。そうでなければ、科学は歴史を失うのではなく、現実を失い、単なる歴史になってしまうでしょう。 （プランクは卒業時に、生涯を物理学に捧げる決意を興奮気味に表明した。彼の先生は残念そうにこう言った。「残念ながら、物理学にはもう難しい問題はない。数年後、物理学の空に残っていた「2つの暗雲」だけが、量子力学と相対性理論を生み出した。」）しかし実際には、科学の外では、日常言語は常に「これは非科学的だ！」のような言葉で満ちている。 （その問題が科学とどれほど関係があるかに関係なく）。この文脈では、「科学」は「正しい」の同義語になっています。科学の内部では普遍的な懐疑の精神が求められますが、科学の外では科学の正しさが無条件に受け入れられます。近代科学は反宗教的なものとして始まったが、現代の迷信となってしまった。これによって別の矛盾が生じます。

現代科学は自然を研究することで目覚ましい成果を達成しました。しかし、「科学」は次第に一般化されるというジレンマに陥り、定義することがますます困難になってきました。したがって、一般的に使用されている用語「人文科学」を「人文科学」に変更することを主張する人がいるのは当然です。 （「芸術」は科学であると主張する人もいるかもしれません。）科学は世界を理解するための一つの方法であり、唯一の方法ではありません。自然、真実の探求、精密さなど、独自の研究対象、目標、方法を持っています。たとえば、生物学は、強者が弱者を捕食するという弱肉強食の法則を明らかにすることができますが、人間の本質における思いやり、慈悲、優しさに関しては、科学は宗教よりも大きな役割を果たさないかもしれません。科学は人間の認識の一部に過ぎず、すべてではありません。もし科学が人間だったら、トップに立っても孤独を感じ、自分一人で全ての問題に対処することはできないだろう。 :) これはまた別の矛盾を構成します。

あらゆる種類の矛盾は、科学のさらなる考慮を促します。たとえば、現代における科学崇拝の最も根本的な理由は、科学によってもたらされた技術の進歩です。科学と技術は同一視できるのか、それとも区別できるのかを考えることは価値がある。例えば、ジョセフ・ニーダムが近代科学が生まれなかったと言っている中国で、なぜ科学が、少なくとも名ばかりであれ、これほど高い地位を獲得したのか、これも考えるべき興味深い問題です。

「人間が考えると神は笑う」ということわざがあります。とんでもない！人間の想像力がなければ神の概念も存在しないのに、なぜ笑うのでしょうか?また、神は実は前近代においては科学の同義語として見ることができるとも付け加えておきたいと思います。