単語記事: マクスウェルの悪魔

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マクスウェルの悪魔とは、スコットランド物理学ジェームズクラーク・マクスウェルが考えた思考実験、またはその思考実験に登場する悪魔の名前である。

正確で堅苦しい説明は、例によってWikipediaの当該項目を参照。

そもそも思考実験って何?

読んで字のごとく、頭の中で行う実験である。

例えば、AとBという二人を想定しよう。「彼らがジャンケンをして、Aが勝つ確率はどれだけか?」を考えてみる。
彼らはあなたの頭の中でジャンケンを始める。Aがグーばっかり出す癖をBが知っているとかでない限り、勝負は五分ではないかとあなたは考えるだろう。

これこそが思考実験である。「要するに妄想だろ?」正しい。学者という人種は、ムツカシそうな名前をつけるのが大好きなんである。
「あの子にこの子ヘタレ攻めしたらどういう展開になるか?」も立な思考実験の一つであると言える・・・かも。

一応にいうと、理論構築に矛盾がないか検討したり、新しい知見を得るためこれまでの理論を再検討したりするときに、現実には不可能な(だが理論上は何の問題もない)実験を想定することが有用なことは少なくなかったりする。

本題・マクスウェルの悪魔とは?

前提知識「熱力学第二法則」

ものすごく大雑把に言って

  • 熱いものと冷たいものを一緒に放って置くと、熱は必ず熱い方から冷たい方に流れる
    エネルギーの流れる方向に関する性質)
  • 電気を熱に変えるのは簡単(電気ヒーターなど)だが、熱を電気に変えるのは難しい
    エネルギーの質の高さ・低さに関する性質)
  • コーヒー牛乳を混ぜるのは簡単だが、コーヒー牛乳コーヒー牛乳に分けるのは難しい
    (微粒子の混合・散乱に関する性質)

などの言い方で説明される法則である。(信じられないかもしれないが、熱力学的にはこれらはすべて同じことを説明している)。
々の経験から言ってもごく常識レベルの何の変哲もない法則だが、世の中にはこのことを説明するために分厚くて意味不明数式だらけの本が何冊も出ている。つまりが深い。

マクスウェルの悪魔

しかし、マクスウェルさんは「こうすれば熱力学第二法則は破れるんじゃね?(意訳)」という思考実験を発表した。

  1. 空気を密閉したを用意し、その中央をで仕切る。当然2つの部屋(L,Rとする)が出来る。
  2. この仕切りには小さながある。このには、空気の分子の速さを見分けてを開け閉めできるちっちゃい人(コイツこそが「マクスウェルの悪魔」である!)が付いている。彼(?)には、速い分子が来たらを閉めてLに、遅い分子が来たらを開けてRに誘導する性質がある。また、このはとても軽く開閉に必要なエネルギー視できるほど小さい。
  3. しばらくすると、速い空気分子の入ったLと遅い空気分子の入ったRの二つの部屋が出来る。

空気分子の速い・遅いは、すなわちその空気が熱い・冷たい状態であることを示している。つまり、エネルギーを使わずともひとりでに熱い部屋と冷たい部屋が出来ることになり、これは熱力学第二法則に反している。

ここで問題となるのはこの悪魔実在するかとか、そんな操作が実際できるのかとか言ったことではないが、マクスウェルさん本人をはじめ、「そんないるわけねーだろ妄想wwww」「その悪魔働かせるのにエネルギーいるんじゃね?」「っていうかそんな作れんの?」といった調子で深刻に考えるものはいなかった。

ところが、後には量子論まで交えても、少なくとも理論上はエネルギーを消耗することなく上記の動作が可である、ということがわかってきて『この悪魔が存在しえない』ことを理論的に説明することができない、難問だということがわかってきた。

「小さいの開け閉め」という動作でエネルギーを使っているんじゃないか?と思うかもしれないが、よく考えてほしい。悪魔の開閉を禁じたところで、悪魔が分子の状態を見て、「どちらの部屋のほうが熱いか」わかれば、悪魔から見ればすでに左右の部屋の温度差が生じているのだ。の開け閉めは、すでに生じた温度差を集めるための方法にすぎず、の開閉をしなくてもマクスウェルの悪魔熱力学第二法則に反する(ように見える)のは変わりない。

この悪魔は、長い間科学者の頭を悩ませることとなる。
熱力学第二法則科学の根幹をなすものの一つで、これが否定されるということはこれまで人類が営々と積み上げてきた科学がまるっと否定されるのと同じなのだ。

もし、この悪魔が存在するとどうなるか?エネルギーを使わずとも温度差のある部屋を作れるということは、それを利用してエネルギーが生み出せる…つまりから有のエネルギーを作り出す永久機関が作れるということになってしまう(第2種永久機関という)

マクスウェルの悪魔の抹殺

この疑問は発表された1871年から111年後の1982年に、IBMの研究員によってようやく解決された。大雑把にいうと「マクスウェルの悪魔は分子の運動が遅い・いといった観測を記憶せねばならず、『情報(記憶)の消去』という過程を経なければ繰り返し使えない」というような論旨である。

情報」とか「記憶」などというと奇妙に感じるが、誤解を恐れずに日常的な感覚で近い言葉を言うなら「状態」と考えたほうが分かりやすいかもれしれない。「マクスウェルの悪魔使用前)」が上記の作業をすると「マクスウェルの悪魔使用後)」になり、繰り返し作業をさせるためには(使用後)を(使用前)に戻す必要があってそれにはエネルギーが必要、だからエネルギーなしでは尽蔵に熱を移動することができない=熱力学第二法則に従う……と、考えるとなんとなーく理解できたような気がしなくもならなくはないだろうか。

この時、「使用前から使用後になるとき」にはマクスウェルの悪魔エネルギーやそれに類する何かを消費しない(いっときはそこの過程のどこかでエネルギーが必要だと考えられたりしていた)。(使用後)を(使用前)に戻す、という所にエネルギーが必要、というのは一種の盲点とも言え、それが長年科学者を悩ませていたのだ。

論、尽蔵に(使用前)を用意してもよい。「(使用前)という状態」(乱雑さが情報)は「エネルギー」と同一視できる、というのが結論である。

マクスウェルの悪魔、現世に降臨?

かくして退治された(議論がないわけではないが)マクスウェルの悪魔であったが、逆に言えばその条件の範囲内であれば上記の思考実験のような操作は可である、ということでもある。「情報エネルギーに変える」という(゚Д゚)ハァ?なことが理論上実現可とされたのだ。

そして実際に2010年11月には、中央大学東京大学が共同でマクスウェルの悪魔と同等の操作を実現したことを発表した。さらに翌2011年にはそれと独立の手法でテキサス大学でもマクスウェルの悪魔の実現を発表。今後の研究が待たれる。

関連商品

わかりやすい。マジオススメ。(ただし初版が書かれたのが、上記の1982年の解決より前のため、そのへんの記述は厚くない。決定版と言える書籍はいまのところ洋書「Maxwell's Demon 2: Entropy, Classical and Quantum Information, Computing」しかなく、邦訳が待たれる)

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ページ番号: 4531004 リビジョン番号: 2505194
読み:マクスウェルノアクマ
初版作成日: 10/12/26 18:38 ◆ 最終更新日: 17/07/06 20:22
編集内容についての説明/コメント: 「小さい窓の開け閉め」という動作で~ の段落を追加。米欄で疑問に思ってたひとが多かったので。
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マクスウェルの悪魔について語るスレ

96 : ななしのよっしん :2016/06/12(日) 23:09:54 ID: qZppIdxJfV
サーヴァントにもなったよ
97 : ななしのよっしん :2016/06/27(月) 05:12:53 ID: ZRvlawI7vO
>>96
じゃんけん死ねぇ!の人だと思ってたら違った
98 : ななしのよっしん :2016/07/04(月) 14:56:45 ID: rG80VXnORo
分子を見つめながら必死を開け閉めするマクスウェルたん…
ふええ……じょうほうりょう多いよお……
99 : ななしのよっしん :2016/07/05(火) 03:19:59 ID: glfthC1Kxs
実用化したら実際汎用性高そう
100 : nの3乗 :2016/07/09(土) 22:37:18 ID: /agbi12eWC
もしかしたら、情報量と質量は等価なんじゃないかと予想してみる

質量とエネルギーは等価で、情報エネルギーに変えられるという理由より
101 : ななしのよっしん :2016/12/22(木) 09:59:04 ID: ajKFVTgdEh
現代のマクスウェルの悪魔永久機関ではなく
情報エネルギーを繋げる存在なのか
102 : ななしのよっしん :2017/01/23(月) 12:55:17 ID: r0OZ7l6mTY
まさにマクスウェルの悪魔の召喚実験
http://www.gizmodo.jp/2017/01/scientists-made-something-colder-than-ever-thought-possible.html
理論限界えてゆけ!NIST、史上もっとも絶対零度に近いアルミニウムを作る
103 : ななしのよっしん :2017/01/23(月) 14:18:56 ID: r0OZ7l6mTY
>>100
実際には情報量は質量にあまり関与しない。
コレに関わっているのが「ブラックホール情報パラドックス」と
これに続く「ホログラフィック宇宙論」だ。
物体の持つ情報量はその質量よりも表面積に強く依存し、
ブラックホールエントロピーはその表面積例する。
なのでブラックホールに落ちた物が持つ情報はすべてその事の地の表面に焼きついている。
104 : ななしのよっしん :2017/05/18(木) 10:08:07 ID: r0OZ7l6mTY
今度はNTTが常温で動作するマクスウェルの悪魔制作した。熱ノイズを電流に変える事ができる。
http://www.ntt.co.jp/news2017/1705/170516a.html
105 : ななしのよっしん :2017/07/24(月) 12:53:22 ID: r0OZ7l6mTY
http://news.mynavi.jp/news/2017/07/24/084/
観測効果を利用してマクスウェルの悪魔を召喚した例。
粒子をうまいこと「観測」する事であたかもエントロピー
逆転したかのように振る舞う。
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