新装版　マックスウェルの悪魔ーー確率から物理学へ

書籍情報

【ブルーバックス】

著　者：: 都筑卓司
出版社：: 講談社
出版年：: 2002年9月

エントロピーと熱力学の第二法則を統計力学的に解説

「マックスウェルの悪魔は、物理学ではよく知られたパラドックスの一つである」。本書では、これを切り口として、エントロピーと熱力学の第二法則を中心に、熱力学・統計力学について述べている。著者・都筑卓司の専門は統計力学であり、おもに統計力学的に解説している。

著者は、以下のように記している。

「自然科学に統計力学という、自然の本質への一つの代表的なアプローチの仕方があるが、その基本的な考え方を、この悪魔を介して時に逆説的にながめてみようとするのが本書の骨子である。」

また、「記述はできるだけかみくだき、初めての人にも不明の点のないよう心がけたつもりである。」とも述べている。

プロローグは、「マックスウェルの悪魔」をテーマにした物語。

冒頭、酒と水を混ぜてしまって泣いている「坊や」のもとに「小人」が現れる。小人は、酒と水を分けて、坊やを助けてあげる。そんなシーンから始まり、人間社会の中で使われるようになる小人たちを描いていき、小人たちができることを浮き彫りにしていく。そして、「長い長い」年月が経ち、人間と小人は喧嘩別れして……という流れから、小人が消えた後の人類を描き、宇宙の熱的終焉の可能性について述べていく。

また、本書の終わりでは、「エントロピーは増大する」という物理法則に照らして、人間社会を考察している。

積み重ねるように解説していき、徐々に、熱力学の第二法則とはどのようなものか、エントロピーとは何かを明らかにする

まず、エネルギー保存則について、次に、ものは「まざる」という現象について述べる。

これらは、「まるで関係のない二題話のように思われるかもしれない」。「しかし……いささか極端ないい方をすれば、自然界の現象は、この二つの法則を軸として進行していると考えてもいい」という。

熱力学の第一法則は、エネルギー保存則。

熱力学の第二法則は、まず、こう説明している。「分離の状態は、やがては混合という結果に追い込まれることを述べたものが熱力学の第二法則である」と。

もし、この世に、第一法則（エネルギー保存則）しかなかったら、例えば、地面の石が、付近の熱を集めて、ひとりでにとび上がってもいいはずだという。これは、ざっくり書くと、次のような感じで説明されている。

石が、10メートルの屋根から落ちて、地面をわずかに転がって止まる。このとき、「地面と石とが多少熱くなったはずである」。発生する熱量はわずかで、熱はすぐに散ってしまう。とはいえ、石の位置エネルギーが熱エネルギーに変わったことに間違いはない。では、その地面の石が付近の熱を集めて10メートルとび上がることはないのか。このようにして石がとびあがっても、エネルギー保存則には矛盾しない。

しかし、こんなことは現実には起こらない。

第一法則（エネルギー保存則）だけでは実際の現象を説明するのに不十分だということになる。第二法則が必要になってくる。このようなことを述べて、次の小見出しとなる。

「石がひとりでにとび上がらないことがなぜ第二法則か」

この小見出しは、以下のように始まる。

「熱力学の第二法則とは、分子がよく混合することであった。石や自動車がとび上がらないことと、ものがまざることと、どう関係があるのか？」

こう問いかけて、「熱あるいはものの温度が高い」とはどういうことか、さらに、「エネルギーの良否」について説明していく。

このような感じで、積み重ねるように解説していき、徐々に、熱力学の第二法則とはどのようなものか、エントロピーとは何かを明らかにしていく。