物理少女まどか☆マギカ 第1回「エントロピー」編

まどマギを題材に楽しく物理の学ぼう!物理少女まどか☆マギカのコーナーです。

第1回目は、まどマギでお馴染みのキーワード「エントロピー」について。

いったいエントロピーとは何なのでしょうか。

まずは劇中で語られている説明からみてみましょう。

まどマギ劇中での説明

「まどか、君はエントロピーっていう言葉を知ってるかい?」

「簡単に例えると、焚き火で得られる熱エネルギーは、木を育てる労力と釣り合わないってことさ」

「エネルギーは形を変換する毎にロスが生じる」

「宇宙全体のエネルギーは、目減りしていく一方なんだ」

「だから僕たちは、熱力学の法則に縛られないエネルギーを探し求めて来た」

「そうして見つけたのが、魔法少女の魔力だよ」

エントロピーとは”エネルギーが減っていく”現象の事なのでしょうか?

エントロピーとは

熱力学および統計力学において定義される示量性の状態量である。熱力学において断熱条件下での不可逆性を表す指標として導入され、統計力学において系の微視的な「乱雑さ」を表す物理量という意味付けがなされた。

文面どおりだと難しいので、物理学に詳しそうなキュウべえさんからまどかに説明してもらいましょう。

まどか。君は水にインクを垂らして眺めてみたことはあるかい?

あるよ。徐々に水全体にインクが広がっていくよね。

最初はインクは一部に留まっているが、最終的には水全体に色が染まっていくよね。エントロピーでは留まっている状態を「エントロピーが小さい」全体に広がった状態を「エントロピーが大きい」と表せるね。

冷たい水に温かいお湯を入れたときと同じ事なのかな?

その通りさ。例えば僕とまどかがお風呂に入っている時に僕がおしっこをしたとしよう。するとお風呂全体が…

キュウべえの血で染まるんだね

自然状態においてエントロピーは必ず増大する方向にむかいます。この事を「エントロピー増大の法則」と言います。

なぜエントロピーは増大するの?

例えば水と混ぜたお湯が自然と再びお湯の状態に戻ることはありませんし、煙突から吐き出された煙が再び煙突に戻ることもありません。

自然界でおきる変化は必ず不可逆変化なのです。このようにエントロピーは増大しますが、小さくなることはありません。

不可逆変化って?

例えば、ほむらが牛乳をいっぱい飲んで胸が少し大きくなったとしよう。

良かったね。ほむらちゃん…

数ヶ月後なぜかまた胸が小さくなったとしても、再び牛乳に戻ることはない。

そんなの絶対おかしいよ。牛乳とってもおいしいよ。

温度や圧力においてエントロピー増大の法則はすでに知られていましたが、それがなぜ起こるのかは誰も分かっていませんでした。その答えを大きく切り開いたのがボルツマンという学者です。

ボルツマンは「温度が高い状態は粒子同士が激しくぶつかりあっている状態」「圧力が高い状態は粒子が壁にぶつかる速度」によると考え、粒子がランダムに動く統計をとれば全体の状態を予測できると考えました。その考えをもとに切り開いたのが「統計力学」で、長年謎であったエントロピー増大の法則も「ランダムに動く粒子の確率的な結果」という答えにたどり着きました。

粒子とか確率的な結果とか、あなたの言ってること、ついていけない。

まどかはビリヤードをやったことがあるかい?

負けると指を折られるゲームだよね

また古い映画を例えに出したね。ビリヤードでは球がぶつかり合って散っていくよね。粒子の世界でも同じような現象が起きているんだ。激しく動いている粒子は他の粒子にぶつかってエネルギーが分散されていく。

イメージできたよ。

その球が無数にあってビリヤード台も果てしなく大きいと考えるんだ。一度散った球が自然と同じ状態に戻る事はありえないだろう。

球の密集具合や動きの速さも関係しそうだね

勘が鋭いね。もちろんそれらの状態によって結果は変わってくる。本当に勘が鋭いね。勘が。

まどか

それでもエントロピーの解釈は難しい

ここまでエントロピーについて説明してきましたが、これらが正しいとは言い切れません。

というのも、統計力学が成り立つにはは量子力学が必要になり、統計力学も新たな知見が増えてきています。そしてエントロピーの解釈も変わっているのです。

そして、熱力学や統計力学だけでなく情報学においてもエントロピーという解釈が用いられています。

ざっくばらんに言えば、定義そのものがまだ定まっていないと言えるかもしれません。

キュウべえの説明の補足とまとめ

最後に、キュウべえが話していたエントロピーについて補足します。

エネルギーは形を変換する毎にロスが生じる

エネルギー を別の形(例えば熱エネルギーを運動エネルギー)に変換するには、エネルギーの大きさの差が必要になります。しかし、エントロピー増大の法則によってエネルギーの大きさは長い時間をかけて平均化されていきます。もし宇宙全体の全てのエネルギーが全て平均化されてしまえば、永遠に静かな状態を保つことになるかもしれません。

想像するとなんか怖いですね。

以上、物理少女☆まどか☆マギカのコーナーでした。そのうち2回目とかやるかも?

間違いなどあればご指摘下さいm(_ _)m

さあシェアしてごらん

コメント

  1. 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 12:33:53 返信

    え、あっ…ためになったなぁ・・

  2. 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 12:55:22 返信

    まどっちのキャラw

  3. 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 13:11:01 返信

    管理人さん理系だったんですね!ニートだと思っててすみませんでした

    • 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 13:37:57 返信

      理系のニートかもしれないぞ!

    • 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 15:28:12 返信

      なぜ理系だったらニートじゃないんだw

  4. ななし☆マギカ 2017/06/08(木) 13:16:11 返信

    エントロピーをwikiってみたらやたら数式が出てくる…

  5. 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 15:27:52 返信

    ワケが分からないよ

  6. 名無し☆マギカ 2017/06/08(木) 22:09:34 返信

    QBの言う”エントロピーを凌駕”ってのは、エントロピーを減少させたって解釈でいいのかな

    • 名無し☆マギカ 2017/06/12(月) 13:13:01 返信

      エントロピー増大による宇宙冷え切りをある程度補えるほどのエネルギーが生み出されたということでは

  7. 名無し☆マギカ 2017/06/09(金) 11:19:29 返信

    血で染まるw

  8. 名無し☆マギカ 2017/12/14(木) 21:30:24 返信

    未来のまとめからこんにちは(`・ω・´)ゞ物理学を学んでないので凄くタメになりました 昔の人は原子や分子、粒子運動とかの考え方がなかったから、こういった徐々に熱等が分散していくことをエントロピー(分散...全て読む

    未来のまとめからこんにちは(`・ω・´)ゞ物理学を学んでないので凄くタメになりました

    昔の人は原子や分子、粒子運動とかの考え方がなかったから、こういった徐々に熱等が分散していくことをエントロピー(分散・混合した体積)の増大という表現で考えてきたのかな…?
    QBが求める「エントロピーを覆すエネルギー源」とは、このエントロピーの定義が通用しない、例えるなら完全に平均化された宇宙にいきなり発生するような、別時空から流入してきたんじゃないかとも思えるエネルギーの発生源のことを指すんじゃないでしょうか?

    ということはQBはその「定義を度外視したエネルギー」を宇宙に通用するよう「定義に当てはまるエネルギー」に変換することで、膨張中の宇宙におけるエネルギー密度の安定化を目的としてるのかな

  9. 名無し☆マギカ 2018/01/12(金) 06:20:45 返信

    はじめまして、「まどマギ 論」の画像検索結果から来ました。 https://www.google.co.jp/search?q=%E3%81%BE%E3%81%A9%E3%83%9E%E3%82%A...全て読む

    はじめまして、「まどマギ 論」の画像検索結果から来ました。
    https://www.google.co.jp/search?q=%E3%81%BE%E3%81%A9%E3%83%9E%E3%82%AE++%E8%AB%96&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjbv6Hezc7YAhUDXrwKHVOxBoQQ_AUICygC&biw=980&bih=1522&dpr=1.5#imgrc=kK-mWTepPkM-HM:
    保存 http://archive.is/SO61K

    きゅゥべえのエントロピー論宇宙論については、間違ってるのではないかと、こう思うのも書いてました。

    https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q14184499054
    まどかマギカQBのエントロピーの法則の説明おかしくないですか?
    https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q14184514284
    まどマギQBのいうエントロピーの法則と宇宙について

    途中で書くのやめて忘れてました。
    何を書こうとしていたのかはっきり思い出せないですが
    エントロピーの法則と質量保存の法則を微妙に混ぜて、わざと間違って言っている(詭弁として)のではないかという気もします。

    エントロピーの法則と反エントロピー的存在について、昔の知恵袋でこう書かれてました。

    (まどかマギカ関係ない)
    http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1433788479
    エントロピー増大の法則って何ですか?
    回答に

    onepiece3017さん
    エントロピー増大の法則とは

    「自然(世界)は
    常に、エントロピーが『小さい→大きい』という方向に進む。
    すわなち、自然は『秩序から無秩序へ』という方向に進む」

    ということで、具体的に言うと

    「整理整頓された部屋は、そのまま自然に任せておくと
    だんだん乱雑になりますよ~
    勝手に整理されるということはありえませんよ~」

    ということ
    中略
    「宇宙は、時間とともに、エントロピーが増大する」
    というのが、物理学の常識である

    でも、中には、これに反対している人たちもいる

    ようするに

    「乱雑な部屋でも、人間が片付ければ、部屋は綺麗になるじゃないか!?
    人間の活動だって、自然現象の一部だろうが!!」

    という主張
    この主張を大きく広げて
    「生命活動は、エントロピー増大の法則に逆らう唯一の現象だ


    まだ続きがあって、これでもエントロピーは増大する事もあるが、減らす事もある
    違いは【システムが閉じているか開いているか】

    という考えもあるみたいです。
    宇宙のエントロピーは増大し続けるが、反エントロピー存在もあり、生命活動をしていれば、その周囲のエントロピーは増大しないので大丈夫!!!という事ではないかと思うのですが
    どうなのでしょうか?

    知恵袋で書いていると荒らされたりもするので、自分でもわからなくなって来ますが

    QBは、法学部卒の人が同人誌で民法90条違反を指摘するような事もしています
    当然説明すべき事も説明していません。
    という事は、このエントロピーの法則と宇宙の説明が良心的とは限らないのではないでしょうか?
    つまり、様々な条件が整えばそうなる可能性もある仮説の一つではないでしょうか?

    そもそも、エントロピーの法則は分子の状態を表す時に使う言葉だったはずで
    それから派生して様々なものの状態を秩序ある状態とない状態で言い表す時に応用したり時には比喩的に使われたりするようになったものだと思います。

    秩序無秩序で情報の正確性などを言い表す時にも使われるようです。

    それが、焚き火と木の話ではおかしいのではないかと思います。

    分子の状態が秩序立ってる時、温度が高い
    無秩序になるほど冷えて行く

    木を焚き火に使うのは燃焼させてるのだから、また違う状態だと思います。
    そんなに詳しくないので専門用語は使えませんが。

    今ググってわかりました
    エントロピーという言葉は使いますが、燃焼エントロピーというようです。

    木が燃焼するのはこういう化学式らしいです
    http://www.eonet.ne.jp/~forest-energy/GREEN%20ENERGY%20FILE/burnsciencenote.pdf
    2 木の燃焼とは? • 炭素C、水素Hと硫黄Sが酸素O 2 と化合する こと • 炭素は二酸化炭素に • 水素は水に • 硫黄は二酸化硫黄に それぞれ変身し、その際、大量の熱を出す

    木の燃焼エントロピーは
    ググって出たここだと、乱雑さを表すエントロピーではなく熱力学のエントロピーやエンタルピーだと説明できると書いてあるけど最後に違ってたまた考え直すと。。。
    http://gaku1985.blog.shinobi.jp/%E6%97%A5%E3%80%85/%E5%83%95%E3%81%A8%E5%A5%91%E7%B4%84%E3%81%97%E3%81%A6%E9%AD%94%E6%B3%95%E5%B0%91%E5%A5%B3%E3%81%AB%E3%81%AA%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%82%88%EF%BC%81
    Schwarzmagier 僕と契約して魔法少女になってよ!

    生命が反エントロピーという言い方が違うのではないかという反論ブログも
    http://comfort.saloon.jp/2015/05/09/%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%AC%E3%83%87%E3%82%A3%E3%83%B3%E3%82%AC%E3%83%BC%E3%80%8C%E7%94%9F%E5%91%BD%E3%81%A8%E3%81%AF%E4%BD%95%E3%81%8B%E3%80%8D%E3%81%AE%E9%96%93%E9%81%95%E3%81%84%E3%80%81%E3%81%82/
    シュレディンガー「生命とは何か」の間違い、あるいは「エントロピー増大」の 誤解について
    >生物は負のエントロピーを食べているというシュレディンガーの主張は誤りで、生物は高い化学エネルギーを食べているというのが正しい認識です。

    と、この人は書いている

    やっぱりよくわからなくなって来ました
    まだ途中ですがこういう考え方もあるという事を報告させて頂きます。

  10. 名無し☆マギカ 2018/01/12(金) 22:42:42 返信

    9です うあぁ、なんか訳わからない事書いてるようですみません。 自分のよりこっちの方が考察出来ているかもしれません。 https://uni.5ch.net/test/read.cgi/anime4v...全て読む

    9です
    うあぁ、なんか訳わからない事書いてるようですみません。

    自分のよりこっちの方が考察出来ているかもしれません。

    https://uni.5ch.net/test/read.cgi/anime4vip/1304641859/
    魔法少女まどか☆マギカのエントロピー考察スレ

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