ジョン・ラスキンはそれを哀れな誤謬と呼んだ。暴風雨を情熱的、霧雨を悲しく、溶けた小川を無邪気なものと見なすことだ。結局のところ、直感は失われました。自然には人間の情熱はありません。
では、知覚、知識、経験の数学が現代の自然界の理論の中心にあることをラスキンが知ったとしたら、どれほどの驚きだったか想像してみてください。彼の厳しい直感に反して、定量的な関係は、ハードで物質的な法則を心と信念のソフトな性質に結びつけるように見えます.
その発見の話は、19 世紀の終わりにラスキンが彼の言葉を作り出した直後に、物理学者のルートヴィヒ・ボルツマンから始まります。科学が最初に努力したのは、知識ではなく、その反対のことです。たとえば、蒸気エンジンや化学反応の厄介な詳細を無視しながら、それがどのように機能するかを予測して説明する方法についての理論です。
ボルツマンは、1906 年に自殺で亡くなる前に、これをほぼ独力で行うための統一的な枠組みを提供しました。彼が見たのは、ぼんやりとは言え、熱力学は物理的な世界についてではなく、物理的な世界についての私たちの知識が失敗したときに何が起こるかについての話であるということです。文字通り、今日の熱力学の学生は、蒸気エンジンの物理的セットアップまたは化学反応を、無知に直面した推論に関するステートメントに変換できます。その (多くの場合、より単純な) 問題を解決すると、温度計と圧力計に関するステートメントに戻すことができます。
ボルツマンが依存していた無知は最大のものでした。起こりうることはすべて起こり、隠された秩序は残ることができませんでした。ただし、ピストンとガスの単純な世界でさえ、その仮定は失敗する可能性があります。ピストンを非常にゆっくりと押すと、ボルツマンの方法がうまく機能します。しかし、それを内側に叩きつけると、ルールが変わります。渦と渦が発生し、流れと逆流が発生し、ピストンが動揺し、失速することさえあります。ピストンを詰まらせれば、あなたの努力の多くは無駄になります。あなたの仕事は、無駄なパターンの無用な作成と破壊で散逸してしまいます.
その法則自体がどのように機能するか、つまり理想を超えて現実の世界で無駄がどのように発生するかは、ボルツマンにはわかりませんでした。 19 世紀の熱力学は、平衡が戻るのを待つ必要がありました。これらのエバネセントでありそうもない構造がすべて消えていくのです。均衡の場合における私たちの無知は絶対的です。私たちは、これ以上知ることは何もないことを知っています。しかし、均衡のとれていない世界では、 があることがわかっています。 もっと知るべきことがありますが、私たちはそれを知りません。
非平衡熱力学は、長年未踏の領域でした。ボルツマンの死から 45 年後の 1951 年になって初めて、変動散逸定理と呼ばれるものを通じて、システムをわずかに平衡状態から外したわずかな調整が時間の経過とともにどのように消失するかを説明することができました。ボルツマンが亡くなるまではどちらも主題ではなかったが、何十年にもわたって驚きの連続だった量子力学や相対性理論と比較すると、熱力学は氷河のスケールで機能しているように見えた。
しかし、21 世紀が始まるまでに、機械学習と人工知能の急速な進歩によって、推論と予測の理論に基づく科学がルネッサンスに突入しました。新しい熱力学の短期集中コースは、2011 年にハワイ大学の Susanne Still が行った講義に由来しています。浪費され失われるもの) と、そのシステムについて私たちが知っていること。
スティルと彼女の共同研究者たちは、不要なものによって散逸がどのように制限されているかを示しました システムが世界について保持する情報、つまりシステムの将来とは無関係の情報。立派な心の詩で、彼らはこれを懐かしさ、未来にとって役に立たない過去の思い出と呼びました.彼らが示したのは、システムの懐かしさは、システムを操作する際に失われる作業の量を最小限に抑えるということです.
文字通り、機能します。ピストンを動かなくなったときに発生するワールプールは (まだ) 失われていません。時間の経過とともに、それらがバラバラになり、認識できなくなり、ますます予測できなくなるため、それらの作成に費やされた作業が失われます.
ここには、忘れられた記憶の憂鬱、箱に詰め込まれた子供時代の部屋、午後の霧雨の取り返しのつかない詳細が、文字通り物理法則に現れています。それらの記憶は、もはや重要ではない過去をたどります。私たちの注意を引くと、彼らは私たちに喪失の物語を語り、注意を怠ると私たちの現在を消費すると脅迫します.物理学においても、懐かしさにはペナルティが伴います。
この結果を逆にすることができます。消散は、システムが以前のように見えたものを回復するのがどれほど難しいかに関係しています。巻き戻すには、過去を振り返り、過去を予測する必要があります。懐かしさが、多くの異なる過去が同じ未来と互換性があることを意味する場合、完全な振り返りは不可能です。懐かしさ、不可逆性、散逸の間の正確な数学的関係は精巧で具体的であり、それらが方程式から外れると、常に少し驚きます.
近年の新しい熱力学へのより顕著な貢献の 1 つは、マサチューセッツ工科大学の Jeremy England によるもので、Still のグループの翌年に発表されました。システムのノスタルジーではなく、システムの不可逆性に焦点を当てて、イギリスは生物学的世界の説明をまとめました。彼は、環境内の自由エネルギーを利用するだけでなく、最大限に消散する形で生物を進化させる方法について説明しました.
英国の研究は、なぜ 30 億年以上もの間、私たちの生態系が巨大な緑色のソーラー パネルに変化し、太陽のエネルギーを汚す自然のプロセスの一部として、草食動物や捕食者の塔に餌を与えていたのかを説明しているようです。この解釈では、私たちが存在するのは、太陽系の中心にある大量の仕事の源を可能な限り確実に消散させるためです.
スティルの作品は懐かしさを放散と喪失に結びつけているが、イングランドの作品は、人生そのものが放散の要求によって生み出されると言っているようだ。私たちのような存在が存在するのは、物理的、化学的、生物学的、精神的、社会的な世界を創造し、他のものよりも速く破壊するからです。懐かしさはほろ苦いかもしれませんが、私たちの存在を支えているかもしれません.
Simon DeDeo は、インディアナ大学の情報学およびコンピューティング学部の教授であり、サンタフェ研究所の外部教員でもあります。
謝辞
Matteo Smerlak には広範な会話をしていただき、Susanne Still、Jeremy England、Jascha Sohl-Dickstein にはサンタフェ研究所とアリゾナ州立大学の BEYOND センターで開催された講義に感謝します。この作品の一部は、ペリメーター理論物理学研究所での滞在中に作成されました。カナダ政府はインダストリー カナダを通じて、オンタリオ州は経済開発イノベーション省を通じて支援しています。
参考文献
1. Still, S., Sivak, D.A., Bell, A.J., &Crooks, G.E.予測の熱力学。 フィジカル レビュー レター 109 、120604 (2012).
2. イングランド、J.L. 自己複製の統計物理学。 The Journal of Chemical Physics 139 、121923（2013）。
