慣性

慣性とは、力によって速度や方向が変わらない限り、運動している物体は運動を続け、静止している物体は静止したままでいようとする自然な傾向のことである。これは古典物理学の基本原理の1つであり、アイザック・ニュートンの運動の第一法則（慣性の原理としても知られる）で説明されている。^[1]これは質量の主要な現れの一つであり、物理システムの核となる定量的特性の一つである。^[2]ニュートンは次のように書いている。^{[3] [4] [5] [6]}

法則 I. すべての物体は、加えられた力によってその状態を変えることを強いられる場合を除き、静止状態または直線上の等速運動の状態を維持し続ける。

— アイザック・ニュートン『プリンキピア 自然哲学の数学的原理』コーエンとホイットマン訳、1999年^[7]

ニュートンは1687 年の著書Philosophiæ Naturalis Principia Mathematicaの中で、慣性を特性として定義しました。

定義III.物質の持つ本来の力、すなわちvis insitaは、あらゆる物体が、静止しているか、まっすぐに前進しているかにかかわらず、その現在の状態を維持しようとする抵抗力である。^[8]

ジョン・H・リーンハード教授は、中国の戦国時代（紀元前475-221年）の文献に基づく墨子が慣性についての最初の記述を与えたと指摘している。 ^[9]ヨーロッパのルネッサンス以前は、西洋哲学における運動の理論はアリストテレス（紀元前384-322年）の理論であった。地球の表面では、物体の慣性特性は重力と摩擦および空気抵抗の影響によって隠されることが多く、これらは両方とも運動物体の速度を低下させる傾向がある（一般的には静止点まで）。これにより哲学者アリストテレスは、物体は力が加えられている限り動くと誤解した。^{[10] [11]}アリストテレスは、外部の力（力）によって動かされ続けない限り、（地球上の）すべての運動物体は最終的には静止すると述べた。 [ ^12]アリストテレスは、発射体から離れた後の発射体の継続的な運動を、周囲の媒体が発射体を動かし続ける（それ自体は説明されていない）作用であると説明した。^[13]

アリストテレスの運動の概念^{[14]は、一般的に受け入れられていたにもかかわらず、} 2000 年近くにわたって著名な哲学者によって何度も議論されました。たとえば、ルクレティウス(おそらくエピクロスの後継者) は、物質の「デフォルト状態」は運動であり、静止 (停滞) ではないと述べました。^[15] 6 世紀には、ヨハネス フィロポノスが、媒体が発射物を動かし続けるというアリストテレスの発射物に関する議論と、媒体が物体の運動を妨げるという空洞に関する議論の矛盾を批判しました。フィロポノスは、運動は周囲の媒体の作用によって維持されるのではなく、物体が運動を開始したときにその物体に与えられた何らかの特性によって維持されると主張しました。これは現代の慣性の概念ではありませんでしたが (物体を動かし続けるための力が必要だったため)、その方向への基本的な一歩であることが証明されました。^{[16] [17]この見解は}アヴェロエスやアリストテレスを支持する多くのスコラ哲学者によって強く反対された。しかし、この見解はイスラム世界では異論なく受け入れられたわけではなく、イスラム世界ではピロポノスの思想をさらに発展させた支持者が何人かいた。

11世紀、ペルシャの博学者 イブン・シーナー（アヴィセンナ）は、真空中の発射体は何らかの作用を受けない限り止まらないと主張した。^[18]

14世紀、ジャン・ビュリダンは、運動を生み出す性質（彼はこれをインペトゥスと名付けた）が自然に消散するという考えを否定した。ビュリダンの立場は、運動する物体は空気の抵抗と、そのインペトゥスに対抗する物体の重さによって停止されるというものだった。^[19]ビュリダンはまた、インペトゥスは速度とともに増加すると主張した。したがって、彼のインペトゥスに関する当初の考えは、多くの点で現代の運動量の概念に似ていた。慣性に関するより現代的な考えとの明らかな類似性にもかかわらず、ビュリダンは自分の理論をアリストテレスの基本哲学の修正に過ぎないとみなし、運動する物体と静止する物体の間には依然として根本的な違いがあるという信念を含む他の多くの逍遥的な見解を維持した。ビュリダンはまた、インペトゥスは直線的であるだけでなく円形でもあり、物体（天体など）が円を描いて動く原因になると信じていた。ビュリダンの理論は、弟子のザクセンのアルベルト（1316年 - 1390年）とオックスフォード計算家によって引き継がれ、彼らはアリストテレスのモデルをさらに覆すさまざまな実験を行った。彼らの研究は、運動の法則をグラフで示す手法の先駆者である ニコル・オレームによってさらに詳しく展開された。

ガリレオの慣性理論の直前に、ジャンバッティスタ・ベネデッティは、推進力増大理論を修正し、直線運動のみを考慮するようにしました。

外部の動力によって刺激を受けて自ら動く物質の部分は、曲線ではなく直線の軌道上を動く自然な傾向があります。^[20]

ベネデッティは、物体本来の直線運動が強制的に円運動に変化する例として、スリングに掛けられた石の動きを挙げています。

科学史家チャールズ・コールストン・ギリスピーによれば、慣性は「デカルトの空間物質の幾何学化と神の不変性が組み合わさった物理的な結果として科学に登場した」 ^[21]。アリストテレスの運動モデルから完全に離脱した最初の物理学者は1614年のアイザック・ベックマンであった^[22]。

「慣性」という語は、ヨハネス・ケプラーが『コペルニクス天文学要録』 ^[23] （1617年から1621年にかけて3部作で出版）で初めて導入した。しかし、ケプラーが「怠惰」や「怠け者」を意味するラテン語から得たこの語の意味は、現代の解釈とはまったく異なるものだった。ケプラーは、静止は説明を必要としない自然な状態であるという公理的な仮定に基づき、慣性を運動に対する抵抗としてのみ定義した。ガリレオとニュートンの後の著作によって静止と運動が1つの原理に統合されて初めて、「慣性」という語は今日のようにこれらの概念に適用できるようになった。^[24]

アリストテレスが「空虚な運動」について定式化した慣性の原理^[25]には、日常の物体は運動の変化に抵抗する傾向があることが含まれている。アリストテレスが運動を日常のものと天体のものに分けることは、 16世紀にニコラウス・コペルニクスが地球は決して静止しておらず、実際には太陽の周りを絶えず運動していると主張した結論に直面して、ますます問題となった。 ^[26]

ガリレオは、コペルニクスのモデルをさらに発展させる中で、当時受け入れられていた運動の性質に関するこれらの問題を認識し、その結果、少なくとも部分的には、アリストテレスの空間内の運動の説明を基本的な物理原理として再述しました。

水平な表面上を移動する物体は、妨害されない限り、一定の速度で同じ方向に動き続けます。

ガリレオは「すべての外部障害が取り除かれると、地球と同心の球面上の重い物体は、その状態を維持する。たとえば、西に向かって運動すると、その運動を維持する」と書いている。^[27] この概念は、科学史家によって「円慣性」または「水平円慣性」と呼ばれ、ニュートンの直線慣性の概念の前身ではあるが、それとは異なる。^{[28] [29]}ガリレオにとって、運動物体を地球の中心に近づけたり遠ざけたりしない場合は「水平」運動であり、彼にとって「たとえば、船は静かな海で一度推進力を得た後、地球の周りを止まることなく継続的に移動する」。^{[30] [31]}また、ガリレオが後に（1632年に）この慣性の最初の前提に基づいて、比較するための外部の基準なしに、動いている物体と静止している物体を区別することは不可能であると結論付けたことは注目に値します。^{[32]この観察は最終的に}アルバート・アインシュタインが特殊相対性理論を展開する基礎となりました。

ガリレオの著作にある慣性の概念は、後にアイザック・ニュートンによって洗練され、修正され、運動の最初の法則として体系化されました（ニュートンの著作『自然哲学の数理原理』で1687年に初めて出版されました）。

すべての物体は、その物体に加わる力によってその状態を変えることを強いられない限り、静止状態または直線上の等速運動の状態を維持し続ける。^[33]

ニュートンは運動の法則でこの概念を定義していたにもかかわらず、実際には「慣性」という用語を使用していませんでした。実際、彼は当初、それぞれの現象は、加速に抵抗する物質に固有の「生来の力」によって引き起こされると考えていました。この観点から、ケプラーの考えを借りて、ニュートンは「慣性」を「運動の変化に抵抗する物体が持つ生来の力」と捉え、したがって「慣性」は現象そのものではなく、現象の 原因を意味するものとして定義しました。

しかし、ニュートンの「固有の抵抗力」という当初の考えは、さまざまな理由から最終的には問題となり、ほとんどの物理学者はもはやこの用語で考えていません。代わりのメカニズムが容易に受け入れられず、現在では私たちが知ることができるメカニズムは存在しないかもしれないと一般に認められているため、「慣性」という用語は、固有のメカニズムではなく、単に現象自体を意味するようになりました。したがって、最終的には、現代の古典物理学における「慣性」は、ニュートンの運動の第 1 法則で説明されているのと同じ現象の名前となり、現在では 2 つの概念は同等であると見なされています。

アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論は、1905年の論文「運動物体の電気力学について」で提唱されたように、ガリレオ、ホイヘンス、ニュートンによって開発された慣性座標系の理解に基づいていました。この革命的な理論は、質量、エネルギー、距離など、多くのニュートンの概念の意味を大きく変えましたが、アインシュタインの慣性の概念は、最初はニュートンの元の意味から変更されていませんでした。しかし、これは特殊相対性理論に固有の制限をもたらしました。相対性原理は慣性座標系にのみ適用できます。この制限に対処するために、アインシュタインは一般相対性理論（「一般相対性理論の基礎」、1916年）を開発し、非慣性（加速）座標系を含む理論を提供しました。 ^[34]

一般相対性理論では、慣性運動の概念はより広い意味を持ちます。一般相対性理論を考慮すると、慣性運動とは、電気的、磁気的、またはその他の起源の力の影響を受けず、重力質量の影響のみを受ける物体の運動です。^{[35] [36]物理的に言えば、これは、正常に機能している}3軸加速度計が適切な加速度を検出しないときに示しているものとまったく同じです。

慣性という用語はラテン語の「iners 」に由来し、「怠惰」または「鈍い」を意味します。^[37]

慣性に関連する量として回転慣性（→慣性モーメント）があります。これは、回転する剛体が等速回転運動の状態を維持する性質です。外部からトルクが加わらない限り、角運動量は変化しません。これを角運動量保存則といいます。回転慣性は、剛体との関連でよく考えられます。たとえば、ジャイロスコープは、回転軸の変化に抵抗するという性質を利用しています。

• 慣性に関する引用（Wikiquote）
• 地球はなぜ回転するのか？（YouTube）