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

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

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