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マクスウェルの悪魔とは何か? わかりやすく簡単な説明に挑戦してみる

マクスウェルの悪魔

マクスウェルの悪魔(マックスウェルの悪魔)という言葉を聞いたことがありますか?

マクスウェルの悪魔は物理の世界で想定された悪魔のひとつで、ラプラスの悪魔の悪魔と並んで有名な存在です。

ラプラスの悪魔とは 未来は決定しているのか?意思によって変わるのか?

物理と悪魔……なんだか妙な組み合わせですが、「もし悪魔がいたら?」と考えるのも思考実験のひとつで、それによって物理理論が大きく進歩する場合もあるのです。

この「マクスウェルの悪魔」を、できるだけわかりやすく、簡単に説明するという無謀なチャレンジをしてみます。

目次

マクスウェルの悪魔とは?

マクスウェルの悪魔というのは、分子を見分けることができて、分子レベルの細かい操作ができるような存在です。

この悪魔は、1867年頃に ”ジェームズ・クラーク・マクスウェル” という有名な科学者が想定しました。電磁気学のマクスウェル方程式を定式化した、あのマクスウェルです。

「そんな存在しないものを仮定してどうするんだ?」

そう思うかもしれませんが、これが科学にとっての大問題で、100年以上ずっと議論されてきました。

そして技術の進歩によって、現在では実際に分子レベルで観察したり、操作できるようになってきています。

もう空想の産物ではなくなっているのです。

マクスウェルの悪魔が作りだす温度差

悪魔がいれば、どんなことができるのか考えてみましょう。

仕切りのついた箱の中に気体が入っているとします。悪魔は、その中で気体分子の動きを見ながら扉を開け閉めします。

気体の温度は一定ですが、分子によって速度は違います。

左から速い分子が来たら扉を開け、遅い分子のときは扉を閉めます。

逆に右からは遅い分子のときに扉を開け、速い分子のときに扉を閉めます。

それを続けていくと、左側は遅い分子だけ、右側は速い分子だけになっていきます。

温度は分子の運動エネルギーに比例するので、左は温度が高く、右は温度が低くなるということです(圧力も右が高く、左が低くなります)。

最初は均一な温度だったのに、温度差を作り出すことができるのです。

他にも、片方を真空にしたり、気体分子を一か所に集めたり、自由に何でもできてしまいます。

温度差を使えば永久機関ができる

一家に一匹マクスウェルの悪魔がいれば、冷房も暖房も冷蔵庫もタダです。

便利ですね。

でも、それだけではありません。

マクスウェルの悪魔は、永久機関を作れるので、エネルギー問題も解決します。

永久機関の例

温度差を使った永久機関の例として、ピストンに入れた気体を使ったものを紹介します。

温度が高い右の箱に接触させると、ピストン内の空気が膨張してピストンを押し上げます。

そして、右側の箱に接触させると、ピストンが下がります。

これを繰りかえせば、永久機関の出来上がりです。悪魔が温度差を保つように扉の開け閉めを続けてくれれば、いいだけです。

ピストン(シリンダー)の上下ですから、普通のエンジンで動力を得るのと同じことです。

普通は、温度差を作り出すためにガソリンを燃やさないといけませんが、マクスウェルの悪魔はエネルギー源なしで温度差を作れるので、永久機関になるのです。

第二種永久機関

ここでいう永久機関は、エネルギー保存則を破るもの(第一種永久機関)ではありません。

熱を自由に動力として取り出す第二種永久機関と呼ばれるものになります。

第二種永久機関については、こちらの記事を参考にして下さい。

≫≫第二種永久機関とは何か? エネルギー保存則を破らない永久機関がある

 

マクスウェルの悪魔が研究される理由

このような永久機関を作ることはできないというのは、熱力学第二法則(エントロピー増大の法則)という、科学の基本法則です。

マクスウェルの悪魔は、その基本法則を破ることになります。

そうすると、色んなものが周囲の熱を吸収してそれを運動エネルギー替えて飛び上がったり、高速で動き始めたりすることがあり得るという結論になってしまうのです。

存在しない悪魔を考えてどうするの?

前にも言ったように、最近では分子レベルでの観測や操作が可能になってきています。

しかしマクスウェルの悪魔が提唱された頃は、そんなことは想像もできなかったはずです。

何しろ「分子は存在するのか?」という議論が行われていた時代ですから。

でも、その頃から科学者は、この問題を真剣に考えてきたのです。

多くの科学者は、悪魔がいても熱力学第二法則は成立すると考えていて、その理由を研究してきました。

その過程で、「シラードのエンジン」と呼ばれる「マクスウェルの悪魔」を単純化したモデルが大きな役割を果たしました。

≫≫シラードのエンジンとは? 情報をエネルギーに変えることができるのか

マクスウェルの悪魔の研究の変遷

マクスウェルの悪魔は発表当時から、議論のまとになり色々な仮説がたてられてきました。

最初に有力な説として提唱されたのが「悪魔が分子を観察するときにエネルギーを消費する」というものです。

悪魔が観察するときにエネルギーを消費する?

古い本では、このように書かれていることがあります。自分が若いときに読んだ本には全てこう書かれていました(汗)

その後エネルギーを消費せずに観察が可能なことがわかり、これでは説明ができなくなりました。

それが1973年のことですから、マクスウェルの悪魔が提唱されてから100年以上後のことです。

面白いことがわかってきた

その後も研究が進み、意外な方向に発展します。

熱力学と情報理論の融合です。

熱力学にはエントロピーという量があるのですが、情報理論にもエントロピーと呼ばれるものがあります。

もともとは、それを表す数式が似ていることから冗談半分につけられた名前です。

それが、実は違うものではなく同じものだということがわかったのです。

こんな風に、一見無駄に見える思考実験が科学の大きな進歩をもたらすことがあるのです。

マクスウェルの悪魔の大筋での解決

情報技術の進展

悪魔は分子を観察して、それに応じて動作を変えます。

このとき、観察結果を一旦記録しなければなりません。

そのまま続けていくと確かに熱力学に反するような現象が起こります。

しかし、悪魔は観察した情報を記録し続けているので、メモリーを消費しています。

続けていくとメモリーにデータが溜まっていきます。

無限のメモリーがあればいいのですが、そうでない場合は一杯になったメモリーを消去しないと次の操作ができなくなります。

このメモリーを消去する過程で、熱が発生することがわかっているのです。

そして、その熱は悪魔がエネルギーを取り出すときに消費した熱量と一致するのです。

※エネルギーを取り出すときとメモリーを消去するときの温度が同じ場合

無限のメモリーを持っていれば、第二種永久機関のようなもの(メモリーの変化をともなうので正確には永久機関ではないですが)が作れます。

でもメモリーを消去すると、それまで得てきたエネルギーが帳消しになってしいます。

第二種永久機関は、永久に続けられないといけないので、熱をエネルギーに替える以外の変化は起こさないことが前提です。

マクスウェルの悪魔が存在しても、熱をエネルギーに替える以外にメモリーに変化があります。

その変化を帳消しにしようとすると、せっかくのエネルギーが無駄になり、第二種永久機関にはならないのです。

これがわかったのが1982年です。

その後の悪魔の研究

マクスウェルの悪魔が、情報と関連することがわかったのは、1982年でした。

そのころから急速に進展した技術分野があります。

情報分野です。

1982年と言えば、MacもWindowsもなかった時代だと考えると、そこから情報技術がどれだけ進歩したかわかるでしょう。

それにつれて、情報工学とマクスウェルの悪魔の関係も深く理解され、理論の整備も進みました。

そして、2010年代に入ると、実際にマクスウェルの悪魔に関する実験が報告されるようになってきます。

分子レベルの運動を観測して、その結果に応じて操作を変える(扉の開け閉めにたに)、そんな実験です。

理論が進み、実験での検証ができるようになると、一気に前に進みます。

マクスウェルの悪魔は、状態を観測して観測結果によって操作を変えるフィードバック系の理論として、新しい分野を切り開いてくれたのです。

現在では量子コンピューターの研究が大きく発展している段階です。

分子のように小さなものは、量子力学で表されます。量子コンピューターの開発で、量子情報理論が発達してマクスウェルの悪魔についての新しい知見が生まれることもあるかもしれません。

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マクスウェルの悪魔

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