熱力学第二法則は、大まかに言えば、無から何かを得ることができないことを示しています。たとえば、自由エネルギーがないため、永久機関を作ることは不可能ですが、 すでにいくつか試みられています。
同じ法則のもう 1 つの側面は、エネルギーは常にバランスをとろうとするという事実です。熱湯の入ったポットに冷水を注ぐと、ぬるま湯が出来上がります。この水を冷却または加熱したい場合は、外部電源が必要になります。
ジェームズ・マクスウェルと彼の精神訓練
1867 年にスコットランド人のジェームス・マックスウェルが、多くの人々の心を驚かせる演習を提案するまでは、すべてが完璧でした。それは、お湯の入った容器を想像してみてください。この水にはさまざまな速度で動く分子があり、「熱い」分子は速く動き、「冷たい」分子はゆっくりと動きます。それにもかかわらず、平均水温は暖かいです。
その後、マクスウェルは、この容器を半分に分割し、その間に水分子ほどの大きさの小さなドアだけを残すように提案しました。速い分子がドアに引き寄せられて容器の半分に蓄積するようにドアを作り、遅い分子がドアに近づくと、最終的には反対側に通過してしまいます。
このようにして、しばらくすると、このゲートは分子に高速と低速の命令を与えることになります。つまり、追加のエネルギー源を使用せずに、温水が温水と冷水に変化することになります。熱力学の第 2 法則は、明らかに違反されてしまいます。
実際に第二法則を破る
マクスウェルのアイデアは興味深いものですが、それは頭の体操にすぎません。しかし、2010 年に科学者たちは、マクスウェルが実験で提案したものと同様のドアを使用して、空気分子のランダムな動きでプラスチック片を動かすことが可能であることを示しました。
プラスチック片は小さなはしごの先頭に置かれ、突然上に押し上げられ始めます。これを行うたびに、電動ドアが真下で閉まります。このポートで使用される電力は、実験に干渉しないように、システムの他の部分から隔離されています。時間の経過とともに、プラスチックは外部エネルギーを加えることなく階段の最上部に到達します。
情報をエネルギーに変える
これらの事例を長期間研究した後、物理学者は、これらの実験は、実験が行われるシステムに関する多くの非常に正確な情報に依存しているという結論に達しました。マクスウェルの頭の体操では、移動する分子の速度を知る必要があり、2010年の実践実験では、プラスチック片の位置を常に監視する必要がありました。
これらの測定値はすべてエネルギーに依存しており、エネルギーはシステムの外部にある「自由」エネルギーとバランスを取ろうとします。言い換えれば、何が起こるかというと、情報がエネルギーに変換されるということです。プラスチック片の位置に関する情報は、最終的にプラスチック片を上方に押し上げるエネルギーに変換されます。言い換えれば、熱力学第 2 法則は結局そのまま残っているということです。
量子の世界のおかしなこと
さて、日本の京都大学と東京大学の科学者たちは、量子力学がこれらの実験にさらなる複雑さをもたらし、今回は熱力学の第二法則が実際に破られているようであることを発見した。
これを行うために、彼らはマクスウェルの演習に量子もつれとして知られる概念を追加しました。 2 つの粒子が量子的に絡み合うと、たとえ宇宙全体によって隔てられていたとしても、それらはあたかも 1 つであるかのように動作します。したがって、それらのうちの 1 つだけを測定し、もう 1 つに関する情報を取得することが可能です。そして、前に見たように、この文脈では、情報はエネルギーです。
したがって、上記の場合、エネルギーを使用して分子の半分を測定し、それらすべてについての情報を取得することが可能です。言い換えれば、古典的なモデルで必要なエネルギーの半分だけを使用して、コンテナを「熱い」分子と「冷たい」分子に分割することが可能になります。
今のところ、これらはすべて、科学論文のギリシャ語記号だらけの数学的計算にすぎません (英語の PDF )。しかし、著者らの最大の成果は、熱力学の第 2 法則が量子効果にも依存していることを発見したことであり、現在、チームはこの新事実にも対処できるようにそれを拡張する方法に取り組んでいます。
Technology Review のWeb サイトによると、この研究はブラックホールや宇宙生物学からナノマシンや量子化学に至るまで、あらゆる種類の現象に重要な意味を持つとのことです。
出典: テクノロジーレビュー
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