私たちは皆、高い感情的知性を追求しているのに、なぜ人生において低いエントロピーを主張するのでしょうか?

有名な物理学者シュレーディンガーは、著書『生命とは何か』の中で、「人間はエントロピー増大の法則と戦うために生きており、生命は負のエントロピーの上に生き残っている」と述べています。

清華大学科学史学部の呉国勝教授はかつて、物理学において守れる法則が一つだけあるとしたら、エントロピー増大の法則を守るだろうと語った。

近代物理学の創始者であるアインシュタインでさえ、「エントロピー増大の法則」が最も強力な科学法則であると信じていました。

無数の科学者を魅了するこの「エントロピー増大」という奇妙な法則とは一体何なのでしょうか?なぜ私たちは人生において低エントロピーを追求するのでしょうか?今日は「エントロピー」について簡単にお話しましょう。

シュレーディンガー図出典: Wikipedia

エントロピーの概念は、1865 年にドイツの物理学者クラウジウスによって提唱されました。これはギリシャ語で「内部」、つまり「システムの固有の特性の変化」を意味し、一般に式では S として記録されます。

エントロピーはシステムの無秩序の度合いを表します。システムが秩序立てられているほど、エントロピー値は小さくなります。システムの無秩序性が高まるほど、エントロピー値は大きくなります。

エネルギー保存の法則から、エネルギーの総量は一定であることがわかりますが、可能な量は 100% 変換することはできず、失われたエネルギーがエントロピーです。

エントロピー増大の法則は、熱力学の第二法則の表現形式として、外界の影響を受けない孤立したシステムでは、エネルギーは一方向にのみ、つまり、使用可能なものから使用できないものへ、有効なものから無効なものへ、秩序だったものから無秩序なものへと変換できるというものです。

まだ混乱していますか?

たとえば、目の前に氷水の入ったコップと常温の水の入ったコップがあったとします。どちらがより混沌としていると思いますか?ほとんどの人は氷水と言うと思いますが、実際は水の方が混沌としています。水と氷はどちらも水分子でできていることは誰もが知っています。違いは水分子間の距離が異なることです。

氷は水素結合によって形成された四面体結晶構造を持っています。結晶内の水分子間の距離は狭く、配列は規則的で整然としています。液体の水が形成されると、多数の水素結合が破壊され、分子の配列が乱れるため、エントロピーが増加し、混沌の度合いが増します。

さらに、同様のエントロピー増加現象は日常生活でもよく見られます。例えば、靴ひもは緩んでしまったり、携帯電話は時間が経つにつれてどんどん遅くなったり、家ではきちんと整えられたシーツも寝ると絡まってしまいます。これらはすべてエントロピー増加の現象です。

親たちは、子どもがおもちゃで遊んでいるときに拘束されなければ、間違いなく家をひっくり返し、足の踏み場がなくなるということを深く感じたに違いありません。おもちゃを要素として、そしてすべてのおもちゃをシステムとして見ると、システムは整然としたものから混沌としたものに変わります。この時期は、お気に入りのおもちゃがあらゆる隅に現れる可能性があるため、見つけるのが非常に難しくなります。このシーンにはエントロピー増大の原理も含まれています。

エントロピーを尤度や確率の観点から考えることもできます。たとえば、部屋にはアイテムを配置できる場所が 100 か所あり、20 個のアイテムを配置する必要があります。これらを組み合わせると、20 個のアイテムを 100 個の位置に配置する方法の合計数を計算できます。これは膨大な数です。

下の図の上半分の配置方法を「整然とした」、つまり図中の 20 個の移動可能なアイテムが適切な位置に配置されていると定義すると、残りの配置方法は総称して「無秩序」と呼ばれます。それで：

このような「整然さ」を長期間維持することはほぼ不可能であり、「混沌」は避けられないため、「整然さ」は簡単に「混沌」に変わり、すべてが無秩序とエントロピーの増大に向かって発展していることを示しています。

エントロピー増大の法則はさらに、宇宙のあらゆるものは特定の価値と構造から始まり、その後不可逆的に混沌と荒廃へと向かっていくと述べています。地球、宇宙、あるいは他の場所で確立されるいかなる秩序も、周囲の環境のより大きな無秩序を犠牲にしてもたらされることになる。

私たちが住んでいる巨大都市や高層ビルと同様に、それらはエネルギーの過剰な投入と散逸を引き起こします。たとえば、石炭を燃やすことで得られるエネルギーは消滅せず、二酸化炭素やその他のガスとともに変換され、宇宙に散逸します。食品の過剰な包装も地球のエネルギーを大量に消費しています。プラスチックや金属はリサイクルされず、環境中に埋め立てられています。

これらはすべてエントロピー、つまりエネルギーの無駄を生み出します。そのため、低エントロピー農業、低エントロピー産業、低エントロピー生活、低エントロピー社会などは、人類が自らの生存を維持するために必ず行わなければならないこととなったのです。

デフォルトでは、私たちがもっと注意を払わない限り、私たちの生活のすべては高エントロピーの状態にあります。水が高いところから低いところへ流れるのと同じように、電流は高い位置エネルギーから低い位置エネルギーへ流れます。外部から働く力がなければ、すべてのものは無秩序と混沌へと発展していきます。

したがって、エントロピー増大の法則が私たちの日常生活に戻ったとき、自己規律は怠惰よりも苦痛であり、諦めることは粘り強さよりも簡単であることが分かります。しかし、エントロピー増大の法則に抗わなければ、宇宙から企業、チーム、さらには個人の自己管理に至るまで、すべてが時間の経過とともにますます制御不能に陥るでしょう。

著者:

北京土木大学環境エネルギー工学部准教授 邢美波

北京科学技術協会2021-2023年若手人材支援プロジェクトの受賞者