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エントロピー

ここ1週間色々とバタバタして、考えがまとまりませんでした。

時間の矢の話の続き。熱力学第二法則の説明です。


熱力学の第二法則については、一度このブログでも書いた事があります。これを読んでもらえると、感覚的にはちょっと分かるかな、と思いますが、もう少しきちんと説明してみようと思います。


熱力学の第二法則の別名(というか1つの表現法)は、エントロピー増大則、です。これはその名の通り、時間が経つとエントロピーは増える、という法則なんですが、そのエントロピーってなに?って話が鍵になります。


この法則の説明として一番良く使われるのは、エントロピーは乱雑さの事で、放っておくと部屋は散らかってしまう事から分かる、という例。

これ、例えとしては、間違ってはいないと思うんです。でも、なぜ第二法則が成立するのか、というエッセンスが抜けているので、実際のところ説明にはなっていません。エントロピーとはなんなのか、そしてなぜ増えるのか、を理解するには、もう少し視野を狭くして、余計な要素を省かないといけないように思います。


というわけで考えてみたいのは、部屋全体じゃなくて、本棚の本

あなたは、年末の大掃除で本棚を整理する事にしました。小説、科学、社会などとジャンル別に分けて、さらにジャンル内で著者の名前順に本を並べ直したんです。

毎週1回、あなたの家には友達が遊びに来て、本を1冊借りていきます。次の週になると返してくれるのですが、本棚に適当に戻しておいて、と言ったところ、テキトーに戻していくんです(笑)毎週、1つランダムに本が本棚から抜かれて、次の週にランダムな場所に入れ直されているわけです。

あなたは、友達はちゃんと順列通りに戻してくれていると思っていたので、整理しなおす事もありませんでした。そして来年の年末になって本棚を見てみるとビックリ。順列が見事に乱れていたんです。


これが、エントロピー増大の法則、です。

エントロピーは、乱雑さと言っても良いんですが、これは、見た目の乱雑さを連想させちゃってよくないと思うんですね。僕がエントロピーに対応する日常の言葉として使いたいのは、「ありきたりさ」、「月並みさ」、です。


最初の、ジャンル別、著者名順に並んだ順番は、とてもしっかりと構造を持った順列で、1つでも間違っていると、その構造が壊れてしまいます。デタラメに並び替えたときに、こういった順番になる可能性はゼロではありません。でも、とても確率が低いのは分かると思います。

話の途中でもう1つ例を挙げると、トランプです。本棚の本がしっかりと順番に並んでいるのは、トランプの並び順がスート(絵柄)別、数字順に並んでいるようなもの。シャッフルした後でこれが出たら、ビックリしますよね?この順列は、ありきたりでは無く、とても珍しい、つまりエントロピーが低いものなんです。


1年経った後の本棚では、元々あったはずの構造が崩されてしまっています。ジャンル別、著者名順だった事はもう分からないかもしれません。ちゃんとシャッフルされたトランプのよう、最初からデタラメに並べたのとあまり区別が付かないわけです。これは、ありきたりで、エントロピーが高い配置。

エントロピーが増えるというのは、元々構造を持っていた配置から始めても、時間が経つにつれてありきたりな配置に変わっていってしまう、という事です。

エントロピーなんて見慣れない言葉が出てくるから、専門家しか分からないような事を言ってるんじゃないか、と思わされている人も多い気がするので、あえて言います。エントロピー増大則はある意味、なんだそれだけの事か、という話です。もちろん、もうちょっと厳密に用語を定義しないと、科学的には意味がありませんが。


第二法則で大事なことの1つは、これが実は確率的な法則だという事です。本が5冊しか無かったら、たまたま著者名順になる可能性もあります。でも本が100冊、1000冊と増えると、そういった事は絶対に起きないと言っていいくらい、確率が低くなるんですね。

人間の目に見える物体は、大量の原子で出来ています。大量と言うのは、最後に23個ゼロが付くような数です。それだけの数の本があれば、ランダムに並び替えた順番が、ジャンル別、著者名順になる可能性は限りなく小さいです。つまり、巨視的な物体に関して言えば、第二法則が確率的と言っても、破られることは実質上無いんです。


この第二法則と、時間の矢の関係に付いて次回。

テーマ : 物理学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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プロフィール

アシュリー

Author:アシュリー
カリフォルニア州バークリー在住、元スポーツジャンキーのアシュリーです。

今観るスポーツは、アーセナル(サッカー)とグリズリーズ(バスケ)、あとテニス。

専門の物理ネタ以外にも、色々書いていくつもりです。

Twitterをハンドル名Inoueianでやっています。

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