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レオナルド・ダ・ヴィンチの科学と発明

レオナルド・ダ・ヴィンチの科学と発明

Science and inventions of Leonardo da Vinci


『ヴィトルヴィアンの人』,1490年
『ヴィトルヴィアンの人』,1490年

概要


科学者としてのレオナルド


レオナルド・ダ・ヴィンチは、土木工学、化学、地質学、幾何学、流体力学、数学、機械工学、光学、物理学、火工学、動物学などの科学分野でも才能を発揮している。

 

彼の科学的研究の全貌が明らかになったのは、ここ150年のことであるが、生前からその技術力と発明の腕前が評価されていた。

 

しかし、レオナルドが発明したアイデアはヴェネツィアを侵略から守るための可動式の堤防など、その設計の多くはコストがかかりすぎたり、実用的でなかった。

 

ちょっとしたアイデアの中には、誰にも知られずに製造業の世界に流用されたものもある。レオナルドは、パラシュート、ヘリコプター、装甲戦闘車、集光型太陽光発電の利用、電卓、プレートテクトニクスの初歩的な理論、二重船体などを概念的に発明し、時代を大きく先導するアイデアを生み出している。

 

実際のところレオナルドは、解剖学、天文学、土木工学、光学、水の研究(流体力学)などの分野で当時の知識を大きく前進させている。

 

レオナルドが描いた『ヴィトルヴィアンの人』は、人体のプロポーションを研究し、芸術と科学を結びつけた作品で、ルネサンス期のヒューマニズムにおける大宇宙と小宇宙の概念を象徴するものとなっている。

 山田note

・レオナルド・ダ・ヴィンチは科学分野でも才能を発揮している。

・特に解剖学、天文学、土木工学、光学、流体力学で活躍した。

・芸術と科学を結びつけた

ルネサンス期における科学と芸術の関係


ルネサンス期は芸術と科学は相反するものではなく、一方が他方に情報を与えるものであると考えられていた

 

レオナルドはおもに芸術家としての訓練を受けていたが、絵画芸術に対する科学的なアプローチや、見たものを表現する能力と科学的知見を組み合わせた独自のスタイルの開発により、多数の傑作を生み出した。

 

なお。レオナルドはラテン語や数学の正式な教育を受けておらず、また大学にも通っていなかった。そのため、彼の科学的研究は他の学者からほとんど無視されていた。

 

レオナルドの科学的アプローチは、熱心な観察と詳細な記録であり、調査の道具はほとんどだけだった。

 

日記には、彼の調査過程が記されている。

 

また自然や現象を、ナイフや測定器を使って具体的に、数式や数字を使って知的にどんどん小さく分割していき、そこから創造の秘密を研究していた。レオナルドは、粒子が小さければ小さいほど、謎の解決に近づくことができると考えていた。

 

科学者としてのレオナルドを徹底的に分析したフリッジョフ・カプラは、レオナルドはガリレオやニュートン、そして彼に続く他の科学者とは根本的に異なるタイプの科学者であり、彼の理論化と仮説は芸術、特に絵画を統合するものであったと主張している。

 

カプラは、レオナルドが独自の統合的・全体的な科学観を持っていたことで、現代のシステム理論や複雑性理論の先駆者になったと考えている。

 山田note

・観察と記録が基本的なレオナルドの科学的アプローチ

・数式や数字でものごとを小さく分割していく

・現代のシステム理論や複雑性理論の先駆者

腕の動きに関する研究
腕の動きに関する研究

レオナルドのメモや研究の出版


レオナルドは、友人であるルカ・パチョリが書いた芸術における数学的プロポーションに関する本『De divina proportione』(1509年出版)の挿絵を担当した。

 

レオナルドは、ほぼ毎日書いていた日記のほかに、観察、コメント、計画などを記した別のメモやシートを残している。彼は左手で文字や絵を書いていたため、ほとんどの文章が鏡文字で書かれていて、読むのが難しい。

 

また、レオナルドは、自身の科学的観察と機械的発明についての大著を準備していた。この論文はいくつかのセクション、つまり「本」として分割して執筆されることになっており、レオナルドはその順序についていくつかの指示を残している。彼のノートにはその多くの部分が掲載されている。

 

レオナルドの死後、その著作はおもに弟子であり相続人であるフランチェスコ・メルツィに託されたが、これは明らかに生前からレオナルドの科学的な業績を出版することを意図したものであった。

 

メルツィは1542年より前に、レオナルドの18冊の「本」(そのうち3分の2は行方不明)から『絵画論』のための論文を集めていた。

 

これらのページでは、一般的な科学的テーマを扱っているが、特に芸術作品の制作に関わるものを扱っている。

 

しかし、出版はメルツィの存命中には行われず、結局、著作物はさまざまな形で製本され、散逸してしまった。彼の作品の一部は、彼の死後165年経ってから『絵画論』として出版された。

 

芸術に関連するものであるが、これは実験や理論の検証を根拠とする科学ではない。詳細な観察、特に自然界の観察が中心で、葉っぱなどのさまざまな自然物質に対する光の視覚的効果に関することも書かれている。

自然科学


光学


レオナルドは光について次のように説明している。

 

「不透明な物体を照らす光には4つの種類があります。大気のような拡散光、太陽のような直射光、3つ目は反射光、そして4つ目は、リネンや紙などの「半透明」な物体を通過する光です。」

 

15世紀に活躍したアーティストにとって、光の性質を研究することは必要不可欠だった。表面に降り注ぐ光を効果的に描くことで、モデリング、つまり2次元の媒体に3次元の外観を表現することができた。

 

また、レオナルドの師匠であるヴェロッキオのように、背景の風景を描く際には、前景に比べてコントラストの低い色調や明るさを抑えた色を使うことで、空間や距離感を表現できることをよく理解していた。

 

立体に対する光の効果は、ピエロ・デラ・フランチェスカ以外の芸術家が実際に正確な科学的知識を持っておらず、試行錯誤の末に実現した。

 

レオナルドが絵を描き始めた当時、人物が光と影のコントラストを極端につけて描かれることは珍しかった。

 

特に顔は、顔の特徴や輪郭がはっきりと見えるように、淡々と影がつけられていたが、レオナルドはこの慣習を破った。

 

一般に『白貂を抱く貴婦人』と呼ばれる作品(1483年頃)では、人物を画面に対して斜めに配置し、顔が肩に近い部分とほぼ平行になるぐらい頭を動かしている。

 

後頭部と肩の先が深く影がかかっている。頭部の卵形の固体の周りや胸と手に光が拡散されているので、人物に対する光の距離と位置が計算できる。

 

『岩窟の聖母』や『モナリザ』などの絵画でのオナルドの光の扱いは、芸術家が光を認識し、絵画に利用する方法を変えるきっかけになった。

 

レオナルドが残した科学的遺産の中で、最も即効性があり、顕著な効果をもたらしたのがこれらの作品だろう。

 山田note

・光は2次元の媒体を3次元的化するのに役立った。

・光は空間や距離感を表現するのに役立った。

・レオナルドの光の扱いは、芸術家が光を認識し、絵画に利用する方法を変えるきっかけになった。

『白貂を抱く貴婦人』,1490年
『白貂を抱く貴婦人』,1490年

解剖学


人体解剖


レオナルドは人体に関して次のように書いている。

 

「真の完璧な知識を得るために... 私は10体以上の人間の体を解剖し、他のすべての構成要素を破壊し、これらの静脈を取り囲んでいる肉の非常に微細な粒子を取り除いた・・・そして、1つの体ではそれほど長く保たないので、私が終わりを迎え完全な知識を得るまで、段階的に複数の身体の解剖を進める必要があり、私はこの作業を2回繰り返し、その違いを学んだ。」

 

レオナルドは、アンドレア・デル・ヴェロッキオに弟子入りしてから、人体の地形的な解剖学の正式な研究を始めた。

 

学生時代には、人体を生きたまま描くこと、筋肉や腱、目に見える皮下の構造を記憶すること、骨格や筋肉の構造のさまざまな部分の仕組みに慣れることなどを教わったと思われる。

 

人体の一部の石膏模型を用意して、学生が勉強したり絵を描いたりできるようにしておくことは、当時のワークショップでは一般的なことだった。

 

もし、レオナルドが師匠のヴェロッキオとの共同制作で有名な『キリストの洗礼』の中で、キリストの胴体と腕を描いたと考えられているのであれば、同じ絵の中でキリストの腕と洗礼者ヨハネの腕を比較してみるとわかるように、彼の地形解剖学の理解は早くから師匠を超えていたことになる。

 

1490年代には、学生に筋肉や筋の描き方の実演したことを書いている。

 

「筋肉の起点を確認するには、筋肉の起点となる筋を引っ張って、その筋肉が動くのを見なければならないし、その筋が骨の靭帯に付着している場所も確認しなければならないことを覚えておいてほしい。」

 

この分野での彼の継続的な研究は、解剖学の特定の側面を体系的に扱う数多くのページのメモを占めていた。このノートは出版を目的としていたようだが、彼の死後、弟子のメルツィに託された。

 

身体の研究と並行して、さまざまな感情を表す顔のドローイングや、先天的または病気で顔が変形している人のドローイングも多く描いている。

頭部のプロポーションの研究
頭部のプロポーションの研究
2つの解剖学研究
2つの解剖学研究

解剖学


芸術家として成功したレオナルドは、フィレンツェのサンタ・マリア・ヌオーヴァ病院で人間の死体を解剖する許可を得る。

 

その後、ミラノのマッジョーレ病院、ローマのサント・スピリト病院(イタリア本土初の病院)でも解剖を行う。1510年から1511年にかけては、医師のマルカントニオ・デッラ・トッレと共同研究を行った。

 

「私は、筋肉が衰え、薄い膜のような状態になっている病気のために体が縮んで人の皮膚を剥がしたことがあります。筋が筋肉に統合される代わりに、広い膜になってしまい、骨が皮膚に覆われているところでは、本来の大きさをほとんど超えていませんでした。」

 

レオナルドは30年間で、年齢の異なる男女の死体30体を解剖した。マルカントニオと解剖学の理論書を出版する準備をし、200枚以上のデッサンを描いた。しかし、彼の著書が出版されたのは死後161年目の1680年、『絵画論』というタイトルであった。

 

レオナルドが描いた詳細なイメージの中には、人間の骨格の研究も多く含まれている。彼は、背骨の二重S字形状を初めて描写した人物である。

 

また、骨盤と仙骨の傾きを研究し、仙骨は一様ではなく、5つの椎骨が融合して構成されていることを強調した。ほかに、人間の足の解剖学や脚とのつながりを研究し、そこからさらにバイオメカニクスの研究を進めた

 

レオナルドは生理学者であると同時に解剖学者でもあり、人体の機能を研究すると同時に、その構造を調べて記録した。

 

レオナルドは頭蓋骨や脳の横断面、矢状面、前頭面などを解剖して描いている。これらの絵は、中世の伝統では頭蓋骨の正確な物理的な中心に焦点をあてていた人間の常識の探求と関連があるかもしれない。

 

 

頭蓋骨の解剖図
頭蓋骨の解剖図

レオナルドは内臓も研究し、人間の盲腸や肺、腸間膜、尿路、生殖器、子宮頸管の筋肉、交尾の詳細な断面図を初めて描いた。彼は、胎内の胎児を科学的に描写した最初の人物の一人である。

 

レオナルドは血管系を研究し、解剖した心臓を詳細に描いた。心臓弁が血液の流れを止める仕組みを正しく理解していたが、血液は筋肉に送られて消費されると考えていたため、循環については完全には理解していなかった。

 

2005年、イギリスのケンブリッジ・パップワース病院の心臓外科医フランシス・ウェルズは、レオナルドが描いた僧帽弁の開弁段階を利用して、心臓の直径を変えずに手術することで、より早く回復できるようにした先駆者である。

 

ウェルズは、「レオナルドは、身体の解剖学的・生理学的な構造と機能に対して深く理解していたが、おそらく見過ごされてきた」と述べている。

レオナルドの日記より。胎児の解剖図
レオナルドの日記より。胎児の解剖図

レオナルドの観察眼、デッサン力、骨の構造の描写の明瞭さは、彼が解剖学者として最も優れていたことを示している

 

しかし、彼が描いた体内の軟組織の描写は多くの点で間違っており、彼が数千年前の解剖学や機能の概念を維持していたことを示している。

 

また、当時は保存技術が発達していなかったため、彼の研究には支障があったと考えられる。レオナルドが描いた女性の内臓図には、従来の誤解が多く見られる。

 

レオナルドは人体解剖学を研究した結果、「レオナルドのロボット」と呼ばれるようになったオートマトンを設計したという。1495年頃に製作されたと思われるが、1950年代になって再発見された。

女性の内蔵
女性の内蔵

 山田note

・レオナルドは科学の中でも特に解剖学に興味を持っていた。

・胎内の胎児を科学的に描写した最初の人物

・観察眼、デッサン力、骨の構造の描写の明瞭さは、レオナルドが解剖学者として優れていた根拠である

比較解剖学


レオナルドは人間だけでなく、多くの動物の解剖学も研究していた。

 

牛、鳥、猿、カエルなどを解剖し、人間の解剖学的構造と比較して描いている。日記の1ページには、怒りで歯をむき出しにした馬の横顔や、比較のために唸るライオンや唸る人間など、5つの横顔を描いている。

 

「動物の体と比較して、人間の体の構成では、感覚器官は鈍くて粗いことがわかりました...。私はライオン族の中で、嗅覚が鼻孔を通ってくる脳の物質の一部と関係していることを見た。鼻孔は嗅覚のための広々とした容器を形成しており、嗅覚は多数の軟骨性小胞によって入り込み、前述のように脳が降りてくる場所につながるいくつかの通路がある。」

 

1490年代初頭、レオナルドはフランチェスコ・スフォルツァを称えるモニュメントの制作を依頼された。彼のノートには、一連の騎馬像の計画が記されている。また、関連する馬の解剖学的な研究も多数行われている。

 

その中には、角度とプロポーションが記された数枚の馬の立ち姿の図や、馬の頭部の解剖学的研究、12枚の蹄の詳細な図面、馬が立ち上がる様子の数多くの研究やスケッチが含まれている。

 

レオナルドは熊の地形的解剖学を詳細に研究し、前足の絵をたくさん描いている。また、熊の後ろ足の筋肉や腱の絵もある。ほかにも、妊娠中の牛の子宮、老衰したラバの後ろ足、小犬の筋肉などを描いている。

人と犬の足の比較
人と犬の足の比較

植物学


植物学はレオナルドの時代にはすでに確立されており、紀元前300年頃には植物学に関する論文が書かれていた。

 

レオナルドが植物を研究し、ノートに多くの美しい絵を描いたのは、植物のパーツを図式化して記録するためではなく、芸術家として、また観察者として、植物の正確な姿、成長の仕方、個々の植物や一つの品種の花の違いなどを記録するためだった。

 

そのひとつが、数種類の花が描かれたページで、そのうち10枚が野スミレの絵である。生長した植物と葉の詳細な描写に加えて、レオナルドは一輪の花を様々な角度から、頭の位置を変えて繰り返し描いている。

 

花以外にも、数種類の穀物を含む作物や、ブランブルの詳細な研究を含む様々なベリー類のスケッチを描いている。

 

アヤメやスゲなどの水草もある。また、ノートには、距離や大気の状態によって葉からの光の反射がどう変わるかを観察するよう指示されている。

 

ドローイングの中には、レオナルドの絵画に相当するレベルのものも数多くある。

 

大天使ガブリエルが手にしている百合の花の茎を描いた優美な作品は、レオナルドの初期の受胎告知画のために描かれたものかもしれない。どちらの受胎告知の絵も、草むらには花を咲かせる植物が点在している。

 

『岩窟の聖母』の両バージョンに描かれている植物は、レオナルドの植物研究成果を反映したもので、植物学者が見てもすぐにわかるような緻密な写実性を備えている。

 

レオナルドは『絵画論』の中で、次のような枝振りのルールを提案している。

 

「木の高さのどの段階においても、すべての枝を合わせると、その太さは幹と同じである。」

スゲの研究
スゲの研究

大人になってからのレオナルドの幼少期の記憶は2つだけで、そのうちの1つがアペニン山脈の洞窟を見つけたことだった。

 

獣に襲われるのではないかと心配しながらも、「何か不思議なものがあるのではないかという熱い思い」で洞窟に入っていったという。

 

レオナルドの最も古い年代のデッサンは、アルノ渓谷を描いたもので、地質学的特徴が強調されている。

 

彼のノートには、フィレンツェとミラノの両地域の地質観察に富んだ風景が描かれており、しばしば山脈の麓の町に降り注ぐ豪雨のような大気の効果も含まれている。

 

山岳地帯の地層には、しばしば貝殻の帯が含まれていることが長年にわたって観察されていた。

 

保守的な科学では、これらは聖書に書かれている大洪水で説明できるとされていた。しかし、レオナルドはこの観測結果を見て、それはあり得ないことだと確信した。

 

「砂岩の礫岩の少し先では、カステル・フロレンティーノに向かって曲がったトゥファが形成されている。さらに進むと、貝がいた泥が堆積し、濁ったアルノが海に流れ込む高さに応じて層をなしている。アルノの流れによって底が削られてできたコッレ・ゴンゾーリの切り通しに見られるように、海の底は時折上昇し、貝殻が層状に堆積した。この切り通しでは、青みがかった色の粘土の中に前記の貝殻の層がはっきりと見られ、様々な海産物が発見されている。」