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時間は秩序に向かって流れる

事実上すべての科学者が絶対に間違っていることが判明しないと信じている物理法則の 1 つは、熱力学の第 2 法則です。この崇高な地位にもかかわらず、それは長い間、大きな謎と暗い意味と関連付けられてきました.謎は、1 つを除いてすべての既知の自然法則が時間方向を区別しないということです。しかし、第 2 法則は、宇宙全体のすべての出来事が展開する方法において、全能の一方向性が存在することを主張します。標準的な説明によると、第 2 法則は、無秩序の尺度として説明されるエントロピーが常に (せいぜい小さな変動で) 増加すると述べています。それが問題です。時間には、熱死を指す矢印があります。

驚くべきことに、より微妙な説明が必要であることを示す証拠が、明白な視界の中に隠されています:宇宙そのものです。ビッグバンの直後、宇宙は非常に均一な状態にあり、それ以来、より多様で構造化されてきました.画一性が秩序だとしても、その初期状態は確かに地味で退屈だった。そして、見事に構造化された銀河の無秩序や、秋の木々の色や形を誰が見ることができるでしょうか?実際、科学における最大の発見のうちの 2 つが行われた順序は、パラドックスを解決します。つまり、第 2 法則は宇宙膨張の 80 年前に発見されました。

タイム ラグは、1 つの単純な理由で重要です。 1850 年にウィリアム トムソン (後にケルビン卿に昇格) とルドルフ クラウジウスによって発見された熱力学の法則は、サディ カルノー (ナポレオンの最も偉大な将軍の息子) が 1824 年に発表した素晴らしい研究から生まれました。熱力学の基本原理の 1 つである彼は、蒸気エンジンが達成できる最大効率を確立しようとしました。蒸気エンジンは、作動媒体がシリンダー内に閉じ込められている場合にのみ機能します。これにより、熱力学に関する初期の研究はすべて、概念的な箱の中のシステムに基づくものになりました。クラウジウスのエントロピーの発見と定義 (科学の驚異の 1 つ) は、閉じ込められた系のある平衡状態から別の平衡状態への極小の変化に全面的に依存していました。統計力学のパイオニアであるクラウジウス、ジェイムズ クラーク マクスウェル、ルートヴィヒ ボルツマンが、現象論的熱力学の微視的原子論的説明を提供するために作成した理論的枠組みである彼らは、箱の中に閉じ込められ、その壁から跳ね返るように強制されたガス分子のモデルを常に考えていました。

限られたシステムに対して完全に有効で非常に有益な、豊かな概念フレームワークは、この単純なモデルから発展し、J. ウィラード ギブスの仕事でその決定的な形に達しました。このモデルは、原子と分子の存在を証明し、それらのサイズを確立し、一粒の砂に含まれる信じられないほどの数を決定し、ニュートンの古典物理学の死の鐘を鳴らしました。プランクが 1900 年に最初の量子効果を発見したのはその時でした。さらに、第 1 法則と第 2 法則の両方が、永久機関を作成することは不可能であるという確固たる原則に基づいているように見えました。

したがって、偉大な天体物理学者であるアーサー・エディントンの次の警告に異を唱える科学者がほとんどいなかったとしても、驚くべきことではありません。屈辱に打ちひしがれるしかない。」確かにエディントンよりも優れた科学者であるアインシュタインは、より慎重でした。亡くなる数年前、アインシュタインは熱力学について次のように述べています。警告はすべて重要です:膨張する宇宙の条件は、適用可能な枠組み内にとどまりますか?

それが私が疑問に思うことです。トムソンとクラウジウスが最初に明らかにした事実を変えることができるとは決して言いません。あなたも私も若返ったり、粉々になったカップが奇跡的に元に戻ってテーブルに戻ったりするのを見たりすることはありません.宇宙で物事が起こる方法については、普遍的な一方向性、時間の矢があります。その重要性を最初に認識したケルビンは、それを「機械的エネルギーの消散への自然界の普遍的な傾向」と呼びました。私は矢の存在を否定しませんが、「箱の考え方」が宇宙で起こっていることを誤解させ、それが生み出す美しさを盲目にさえしていることを示唆しています.一方通行がスクラップ置き場につながる必要はありません。きれいに整備された公園に連れて行ってくれるかもしれません。

2 つの状況を比較します。まず、ボックス内の分子。時々それを開いてそれらを見ると、それらがボックスを均一に満たし、習慣的なルーチンを実行していることを確認できます-ランダムな結果で互いにぶつかります.興味のあるものは何も発生しません。それにもかかわらず、これは、圧力と温度のありふれた測定値を解釈するために使用されるモデルでした。それは、今日私たちが依存しているすべての驚くべき発見と多くのテクノロジーにつながりました.それが自信につながったのも不思議ではありません。

しかし今、壁が突然取り除かれた宇宙の箱を想像してみてください。分子は何をしますか?答えは、ジークフリート・サスーンの詩「Everyone Sang」にあります:

囚われた鳥たちが自由に見つけなければならないように、白を横切って激しく羽ばたく
果樹園と深緑の野原。オン – オン – そして見えない。

詩的な言葉ではなく数学的な言葉で言えば、分子はすぐに相互作用をやめて飛び散り、放出速度を永遠に維持し、お互いから離れていきます.実際、簡単な計算に驚かれるかもしれません。分子が離れていく速度は、ハッブルが 1929 年に発表した銀河後退の法則に非常によく似ています。この単純なビッグバン モデルは、無秩序が増加しているようには見えません。

ニュートンの万有引力の理論の核心部分には、エントロピーの無秩序と現実との間に大きな不一致があります。彼は、ケプラーの惑星運動の法則だけでなく、リンゴの落下についても説明したことで有名になりました。しかし、地球、太陽、月が相互の重力場で移動することを念頭に置いていた 3 つの天体の問題は、彼に頭痛の種を与えました。難しい問題として知られていますが、1772 年に偉大な数学者ジョセフ ルイ ラグランジュは、「3 体の宇宙」の振る舞いに関する重要な発見を含め、ある程度の進歩を遂げました。これは、現在質量中心慣性モーメントと呼ばれるものに関係しています。I .これは、システムの範囲を測定します — ミツバチの場合、それは群れの直径についてです — そして、単一の条件が満たされた場合、特徴的な普遍的な方法で動作します:システムの総エネルギーは負ではありません.

この振る舞いを理解するために、ニュートンで時間が過去から未来へ永遠に流れると仮定してください。ラグランジュが見つけたのは 遠い過去の無限から減少し、固有の最小値を通過し、遠い未来に無限に成長します。私はこのユニークな最小値をヤヌス ポイントと呼んでいます。ローマの神性を呼び出すことができるのは、彼が一度に 2 つの反対方向を同時に見ているからです。彼が見るものは驚くべきものです。彼が伝統的に立っているしきい値の周りの領域では、粒子の分布 (特に多数ある場合) は、宇宙のタイムライン上の他の場所よりも均一です。次に、両方向に粒子が集まり、より規則的な形を取り、「銀河」を形成します。彼の視点から、ヤヌスはこれを見ることができますが、あなたが単なる人間であるなら、あなたは必然的にヤヌスポイントのどちらかの側にいて、反対側に「それを通して見る」ことができませんでした。 .あなたの周りの自然の法則は時間の方向を区別しませんが、あなたの宇宙は一方向にますます塊になることがわかります.

正確で数学的に重要な量があり、ヤヌスから両方向に (小さな変動を伴いながら) 複雑さと増加します。エントロピーとの大きな違いは、複雑さの増大は無秩序ではなく秩序の増加を反映することです。閉じ込められたシステムと閉じ込められていないシステムの効果は、互いに正反対です。さらに、閉じ込められていないシステムでの複雑さの増加は、支配する力学法則に直接従いますが、閉じ込められたシステムでは統計的な理由からエントロピーが増加します。

伝統的な議論は、まだ計り知れない理由により、宇宙は低エントロピーとそれに対応する高次の特別な状態になり、無慈悲に破壊されると仮定しています。よく与えられるモデルは、大きな箱の隅にある小さな箱に閉じ込められた分子です。それが特別な初期条件です。小さな箱のふたを持ち上げます。力学の法則により、2 つのまったく異なる結果が可能になります。分子が小さな箱の隅に集まり、さらに特別な状態になることは考えられますが、ほとんどそうではありません.しかし、統計的には、分子が大きなボックスに広がり、最終的に均一に満たされる可能性が高くなります。これは、エントロピーの矢の統計的な説明です。宇宙全体に適用されるこの種の特別な初期条件は、科学哲学者のデイビッド・アルバートによって「過去の仮説」と呼ばれています。問題は、知られている自然法則の中で特別な初期条件を説明できるものがないことです.

ここでヤヌス点について考えてみましょう。ユニークで特別なポイントです。不可解な理由でそこにはありません。ニュートンの法則は、それがそこにあるに違いないと言っています。エネルギーの弱い状態が緩和されたとしても、「ヤヌス領域」の形でそれに非常によく似たものがほとんど常に存在します。そこから両方向に複雑さが増します。順序の増加には動的な説明があり、時間に方向性を与えるものです。さらに、ヤヌス ポイントのどちらかの側にいる存在は、自分たちが時間を進んでいると考え、通常は同じ種類の経験をするでしょう。ちょうど日本の富士山の反対側を歩いている 2 人の人物が、地形と植生が大きく変化していることに気付くのと同じです。

粒子がヤヌス ポイントで近接攻撃から出てくるときに何が起こるかを考えると、繰り返し主張されている宇宙の無秩序の成長についての疑念は大きくなります。ペア。モデル宇宙が拡大し、粒子間の典型的な距離がますます大きくなるにつれて非常にまれになる他の粒子との遭遇を除いて、そのようなペアは永遠に結合し、それらの共通の重心を中心にこれまで以上に完全な楕円運動に落ち着きます.それらは、非常に正確なロッド、コンパス、および時計をすべて 1 つに形成します。主軸は長さの天文単位と固定コンパス方向 (真北) を定義し、運動の周期は時間の単位を定義します。それは無秩序に見えますか?

ウィリアム・ブレイクは、知られるようになったニュートンの時計仕掛けの世界を嫌っていました。詩人はそれが還元的だと思ったが、それは時計仕掛けに似ている太陽系の外観に基づいていた.実際、ニュートンはその美しさと秩序に非常に驚いており、彼の法則がその存在を説明できるとは信じられませんでした。実際、ケプラー ペアは小型の太陽系であり、ニュートンの法則がカオスからそれらを作成します。彼の宇宙はまず時計を作り、それから時計が時間を知ることができるようにします.

19 世紀には、ラグランジュが発見したときにその可能性は認識されていたかもしれませんが、宇宙が膨張している可能性があるという考えはほとんどありませんでした。膨張する宇宙の重要性は、物事が起こる余地を作ることです。ウィリアム・トムソンが力学的エネルギーの普遍的な消散について語ったとき、うっかり人々に間違った考え方をさせてしまったかもしれません。複数の才能の中でも、彼は優秀なエンジニアであり、蒸気機関を研究したカルノーのように、常に人間の能力を向上させる方法を探していました。 「消散」には否定的な意味合いがあります。 Thomson が「拡散」というニュートラルな言葉を使用した場合、ポジティブな可能性とネガティブな可能性が見られた可能性があります。

自宅近くの午後の散歩でよく見に行く美しい効果があります。水が浅瀬をスムーズに流れる小川の上に木がぶら下がっています。雨が降ると、水滴が木から水に落ち、流れる水の上に広がる円形の波を作ります。仕事を続ける必要がある場合は、効果を長時間見ることができます。さまざまな点で水滴にぶつかることによって作成された波は、互いに出会い、通過し、それぞれが無傷で現れます。小川に堤防がなく、水に粘性がなければ、膨張する宇宙の広大な空隙に放射線が見られる状態が作成され、パターンは永遠に美しいままになります.これが、オープン システムとクローズド システムの違いです。

堤防が小川で効果を発揮する前に、機械的エネルギーは最初は完全に落下する水滴の中にありますが、その後、円形の波に広がっていきます。平衡または平衡に近い場合を除いて、クラウジウスのエントロピーは定義および測定が困難な量です。トムソンの消散は、普遍的で認識しやすい定性的効果です。彼は、散逸の一例として、摩擦によって生じる熱に言及しました。イラストは無限に繰り返されています。しかし、トムソンはグラスゴーのケルビン川を愛し、そこから彼の男爵の名前を取りました。彼は水滴が川に落ちるのをよく見たにちがいありません。非常に影響力のある 1852 年の論文のタイトルで、彼が「散逸」を「拡散」に変更していたとしたら、それはより良い特徴付けだったでしょうが、それが第 2 法則の解釈をどのように変更したかを誰が言うことができますか。ハッブルの記念碑的な発見?

円は最も完全な幾何学的図形であり、その円周を半径に関連付ける円周率は、最も完全な数であると公正に判断します。 「ああ、美しいものが生まれたかもしれないが、波がどんどん浅くなるにつれて、それは崩壊する」とあなたは言います。私はあなたがガリバー旅行記の教訓を忘れていると答えます そして大きさの相対性。物理的な意味を持つのは比率だけです。美しさは比率にあり、拡大する宇宙の中でも永遠に存続します。

最後に、時間の方向を区別しない法則と時間の方向を区別する解との不一致を解決するヤヌス ポイントの概念は、宇宙の膨張が方法をどのように変えるかほど重要ではないかもしれないと言って終わります。私たちは第二法則を解釈し、宇宙を見ます。私が説明したシナリオは、ヤヌス点で宇宙の大きさが有限のままであると仮定しているためです.しかし、ニュートン理論では実際にゼロになる可能性があり、アインシュタインの一般相対性理論では典型的にそうなります。これにより、非常に興味深い可能性が開かれ、真に新しい時間理論につながる可能性があります.

Julian Barbour は、独立した理論物理学者であり、オックスフォード大学の物理学の客員教授でした。彼の新しい本 ヤヌス ポイント:時間の新しい理論は、ベーシック ブックから入手できます。

リード画像:turgaygundogdu / Shutterstock


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