ニュートンの思考実験

「慣性の法則」は「力を加えないと、物体は同じ速さで動き続ける」というものですが、これもまた「摩擦を無視すれば」なりたつ話でありまして、現実には摩擦がありますから「力を加えないと、物体はやがて止まり」ます。
　さて、ニュートンは「慣性の法則」を次のように説明したそうです。

・　上り坂の上に向かって球を転がすと、減速する。（図５）
・　下り坂で下向きに球を転がすと、加速する。（図６）
・　ということは、平らな道で球を転がすと、
　　同じ速さでいつまでも動き続ける。（図７）

　この説明も１つの思考実験といえるでしょう。でも、先ほどのガリレオの思考実験と比べると、だいぶザツですね。（図５）と（図６）が納得できたとしても、そこから（図７）だと決めつけるのは、ちょっと行きすぎでしょうから。
　でも、この説明で「慣性の法則」が納得できるなら、それでかまわないわけです。そして実際にこの説明で腑に落ちる人もいるはずです。さすがニュートン、といったところでしょうか。凡人には思いつかないようなザツな説明ですからね。

　ところでニュートンといえば「リンゴが木から落ちたのを見て、引力を発見した」ということになっています。でも、これもあり得ない話です。引力の存在を知った上で「リンゴが木から落ちる現象も、引力で説明できる」と考えることはあるでしょうけれども、その逆はあり得ません。
　そのエピソードは本当は次のようだったのです。再現してみましょう。ニュートンはそのとき、リンゴの木の向こうに浮かんでいる月を見ていたのです。そして彼は考えました。「リンゴは落ちるのに、月はなぜ落ちてこないのか？」と。
　そして彼は気づきました。「月も地球に向かって落ちている」と考えれば良いのだ、と。でも月は横方向の運動を保ち（慣性の法則）ながら落ちていくので、落ちた先に地面は無い。結果として月は地球の廻りをぐるぐる廻ることになる。こうして月は地球に向かって永遠に落ち続けているのだ、と。
　つまりニュートンが考えた順番は、

１．月はなぜ落ちないのか？
２．いや、それは間違いである。月も落ちている。
３．すべての物は落ちる（互いに引き合っている）。
４．リンゴが落ちるのは当然だな。

　次にニュートンは地面に転がっていたリンゴを拾って、月に向かってリンゴを投げつけました。リンゴは放物線軌道を描いて地面に落ちました。ニュートンは考えました。

リンゴを地球の公転軌道に乗せるには、どちらの方向にどれだけの速さで投げればいいか？

ニュートンはここで初めてペンを持って計算を始めました。私はその場に居合わせたわけではないので正確なことはわかりませんが、きっとこうしてニュートンは万有引力の法則の式に行き着いたのでしょう。
　ニュートンが「慣性の法則」を理解するに至った考え方を「思考実験」と呼ぶならば、計算によって「万有引力の法則」を導いた過程は「紙上実験」と言えるでしょう。どちらも現実には実験できないことを、頭の中でもしくは紙の上で行った実験です。
　高校の理科を攻略する仕方もこの２つです。原理・法則を理解するには思考実験で、理科の試験問題に答えるには紙上実験で。この心意気で理科に臨みましょう。
　「空気抵抗を無視すれば」とか「摩擦を考えなければ」とか言いますが、空気抵抗がなかったら、鳥は空を飛べないのですよ。摩擦が無かったら、車は前に進みませんし、人は一歩たりとも歩けませんね。その条件の下で運動を考えるわけですから、考えてみると過酷ですね。

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