慣性

ジョン・H・リーンハード教授は、戦国時代（紀元前475～221年）の中国の文献に基づく墨子が慣性の最初の記述を与えたと指摘している。 ^{[ 9 ]}ヨーロッパ・ルネサンス以前、西洋哲学における運動の主流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、摩擦、空気抵抗の影響によってしばしば隠蔽される。これらはどちらも、動いている物体の速度を低下させる傾向がある（通常は静止する）。このため、哲学者アリストテレスは、物体は力が加えられている間だけ動くと誤解した。^{[ 10 ] [ 11 ]}アリストテレスは、（地球上の）すべての動いている物体は、外部の力（力）が動かし続けない限り、最終的には静止すると述べた。^{[ 12 ]}アリストテレスは、発射体から分離した後も発射体が動き続けるのは、（それ自体は説明されていない）周囲の媒体が発射体を動かし続ける作用によるものだと説明した。^{[ 13 ]}

一般的に受け入れられているにもかかわらず、アリストテレスの運動の概念^{[ 14 ]}は、 2000年近くにわたって著名な哲学者によって幾度となく議論されてきた。例えば、ルクレティウス（おそらくエピクロスに倣って）は、物質の「デフォルト状態」は静止（停滞）ではなく運動であると述べた^{[ 15 ]。6}世紀には、ヨハネス・フィロポノスが、媒体が投射物を動かし続けるというアリストテレスの投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虚に関する議論との間の矛盾を批判した。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物体に与えられる何らかの性質によって維持されると提唱した。これは、物体を運動させ続けるための力が必要であったため、現代の慣性の概念ではなかったが、その方向への根本的な一歩となった。^{[ 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、フィロポノスには彼の考え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（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・ブリダンは、運動を生み出す性質（彼がインペトゥスと名付けたもの）が自然に消滅するという考えを否定した。ブリダンの立場は、動いている物体は、そのインペトゥスに抵抗する空気抵抗と物体の重さによって停止するというものであった。^{[ 19 ]}ブリダンはまた、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、彼のインペトゥスの最初の考えは、多くの点で現代の運動量の概念と似ていた。慣性に関するより現代的な考え方との明らかな類似性にもかかわらず、ブ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すぎないと考え、動いている物体と静止している物体の間には根本的な違いがあるという信念を含む、逍遥学派の他の多くの見解を維持した。ブリダンはまた、インペトゥスは直線的であるだけでなく、円的であることもあり、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。ブリダンの理論は、彼の弟子であるザクセンのアルブレヒト（1316年～1390年）とオックスフォード計算機学院によって引き継がれ、彼らは様々な実験を行い、アリストテレスのモデルをさらに覆した。彼らの研究は、運動法則をグラフで図示するという手法を先駆的に行ったニコール・オレームによってさらに発展させられた。

ガリレオの慣性理論が提唱される少し前に、ジャンバッティスタ・ベネデッティは、発展途上にあった運動エネルギーの理論を修正し、直線運動のみを対象とする理論を構築した。

外部の駆動力によって衝撃が加えられたときに自発的に動く物質のどの部分も、曲線ではなく直線経路に沿って動くという自然な傾向がある。^{[ 20 ]}

ベネデッティは、投石器で石を投げたときの動きを、物体が本来持っている直線運動が円運動に強制的に変えられた例として挙げている。

科学史家のチャールズ・コールストン・ギレスピーによれば、慣性は「デカルトによる空間と物質の幾何学化と神の不変性が結びついた物理的結果として科学に取り入れられた」 ^{[ 21 ]。}アリストテレスの運動モデルから完全に脱却した最初の物理学者は、1614年のアイザック・ビークマンであった^{[ 22 ]。}

「慣性」という用語は、ヨハネス・ケプラーが『コペルニクス天文学概論』^{[ 23 ]} （1617年から1621年にかけて3部に分けて出版）で初めて導入しました。しかし、ケプラーが「怠惰」または「怠け」を意味するラテン語から派生させたこの用語の意味は、現代の解釈とは少し異なっていました。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ました。ガリレオとニュートンが後に静止と運動を一つの原理で統一するまで、「慣性」という用語は、今日のような意味でこれらの概念に適用されることはありませんでした。^{[ 24 ]}

アリストテレスが「真空中の運動」について定式化した慣性の原理^{[ 25 ]}には、地上の物体は運動の変化に抵抗する傾向があるという内容が含まれている。アリストテレスによる運動の地上運動と天体運動への区分は、16世紀のニコラウス・コペルニクスの結論に直面して、ますます問題視されるようになった。コペルニクスは、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^{[ 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点を認識し、その結果として、少なくとも部分的には、アリストテレスによる真空中の運動の説明を基本的な物理原理として再定式化した。

水平面上を移動する物体は、何らかの妨害を受けない限り、一定の速度で同じ方向に移動し続ける。

ガリレオは、「すべての外部障害を取り除けば、地球と同心円状の球面上にある重い物体は、その状態を維持する。例えば西に向かって運動させれば、その運動を維持する」と記している。^{[ 27 ]}科学史家によって「円慣性」または「水平円慣性」と呼ばれるこの概念は、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、運動が「水平」であるとは、運動する物体を地球の中心に向かっても中心から遠ざけてもいないことを意味し、彼にとって「例えば、船は、一度穏やかな海で何らかの推進力を得ると、止まることなく地球の周りを絶えず動き続ける」ことになる。^{[ 30 ] [ 31 ]}ガリレオは後に（1632年に）、この慣性の前提に基づくと、外部の基準と比較しない限り、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。^{[ 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発展させる基礎となった。

ガリレオの著作における慣性の概念は、後にアイザック・ニュートンによって洗練され、修正され、体系化され、彼の運動法則の第一法則となった（ニュートンの著作『自然哲学の数学的原理』に1687年に初めて掲載された）。

物体は、外力が加わってその状態を変えさせられない限り、静止状態、または直線上の等速運動状態を維持する。^{[ 33 ]}

ニュートンは運動法則の中でこの概念を定義したものの、実際には「慣性」という用語を使用していなかった。実際、彼は当初、それぞれの現象は物質に内在する「固有の力」によって引き起こされ、それがあらゆる加速に抵抗すると考えていた。この観点から、ケプラーの考え方を借りて、ニュートンは「慣性」を「物体が持つ、運動の変化に抵抗する固有の力」と捉え、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たのである。

しかし、ニュートンの「内在的な抵抗力」という当初の考え方は、様々な理由から最終的には問題があり、そのためほとんどの物理学者はもはやそのような考え方をしていません。代替となる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のできるメカニズムは存在しないかもしれないということが一般的に受け入れられているため、「慣性」という用語は、内在的なメカニズムではなく、単にその現象そのものを意味するようになりました。したがって、最終的に、現代の古典物理学における「慣性」は、ニュートンの第一運動法則で記述される現象と同じものを指す名称となり、現在ではこの二つの概念は同等であると考えられています。

アルベルト・アインシュタインの特殊相対性理論は、1905年の論文「運動する物体の電気力学について」で提唱されたもので、ガリレオ、ホイヘンス、ニュートンによって発展させられた慣性系の理解に基づいて構築された。この革新的な理論は、質量、エネルギー、距離など多くのニュートン力学の概念の意味を大きく変えたが、アインシュタインの慣性の概念は当初、ニュートンの本来の意味から変わらなかった。しかし、これは特殊相対性理論に内在する限界をもたらした。すなわち、相対性原理は慣性系にしか適用できないということである。この限界に対処するため、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）を発展させ、非慣性系（加速系）を含む理論を提供した。^{[ 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つようになりました。一般相対性理論を考慮すると、慣性運動とは、電気力、磁気力、その他の力の影響を受けず、重力のみの影響下にある物体のあらゆる動きを指します。^{[ 35 ] [ 36 ]}物理的に言えば、これは、正常に機能する3軸加速度計が適切な加速度を検出しない場合に示していることと全く同じです。