『宇宙を解く唯一の科学 熱力学 ポール・セン著 河出書房新社』
原書の原題は Einstein's Fridge
- How the Difference Between Hot and Cold Explains the Universe
本書は主として19世紀の物理学者や化学者たちが熱力学とエントロピー論を積み上げまた拡大させていった、その段階的な仮説と論証のプロセスを綴ったもの。
章立てや構成からして、なかなかスマートかつユーモラスですらある。
たとえば、エントロピーが極小であったろうこの宇宙の奇跡的な存在確率と、エントロピーを増大させてきたありふれた自然現象の発生確率、ここから宇宙の始原と人智について皮肉的に論った「ボルツマンの脳」についての論考などがなかなか面白い。
また冷媒気体による熱の吸収と循環を活かしたアインシュタインら考案の冷蔵庫は本書原書のタイトルともなっている。
さらに本書は、さまざまな新規命題の描写過程において、逆も真なりと念押しする補完的な文面が多く、これは物理学上の完結的真理や数理上の対称性を強意図った文章技法か、或いは原作者の文筆の特性によるものか ─ いずれにしても読者の思考の筋を繋ぎとめる効果抜群だ。
…といったところ感じ入って、とりあえず本書前半をざっと飛ばし読みしてはみたのだが、じっさいのところ以下の理由からしばしば文脈の主旨捕捉に戸惑ってしまった。
・物理学者や化学者たちの半生がところどころ散りばめられており、なるほど読み物としては面白くもあるが、これら記載がしばしばに冗長なため、学術上肝要なタームを見極め難い。
高校レベルの物理や化学についてひとしきり了察した上でないと、例えば’運動’と’運動量’と’運動エネルギー’などなど精密な理解は困難であろう ─ いやたとえこれらを峻別出来るとしても、なにしろ本書の文面分量が多大なため、読者としてはどこまで精密に読み解いているのかしばしば不安に陥ってしまう。
・また、文面にて否定表現が少なからず見受けられ、さまざまな命題が部分否定されるに留まっているのか或いは全否定が強意されているのか、ところどころ捕捉し難い箇所がある。
ともかくも此度の【読書メモ】として、本書の第６章から第１２章までを僕なりにざっと超大雑把に掻い摘んで、以下に概略的にまとめてみた。
（このあたり、運動論による熱の定義およびエントロピーについての学術上の導入箇所である。）
＜熱とはなにか 運動論＞
19世紀半ばまで、あらゆる物質にはいわゆる’熱素’なるものが存在し、それらの運動による仕事が熱を発生させると見做されてきたが、カルノーやヘルムホルツやトムソン（ケルヴィン卿）らによる学識探求を経て、「熱力学」が精密に確立され、熱の実体が突き詰められていった。
更に１世紀遡る数学者ベルヌーイは、気体の構成粒子を加熱するとそれら粒子の圧力が高まり、よって運動の速さが増し、この粒子運動の速さこそがその気体の温度である、と推論していた。
クラウジウスはこの着想を温故知新させ、熱力学を新たに記述。
・気体の温度は、その構成粒子の平均スピードに比例する。
・気体の温度に寄与するエネルギーは、その気体の構成粒子の並進運動のものだけであり、その気体のエネルギーの総量とは異なる。
・ひとえに気体のみならず、全ての物質は絶えず運動している粒子から成っている。
この見識から、さまざまな物質とおのおのの運動速度についての分析も進められていくことになった。
尤も、以上のクラウジウスの見識は19世紀半ばまでは検証不可能なままにおかれていた。
マクスウェルは、或る体積の気体中を或る範囲内のスピードで運動している’であろう’構成粒子の数とそれら割合、それらのランダムな衝突回数、そして気体の圧力と粘性（抵抗）の相関の有無につき、確率的に算出し、また実証して見せ…
（※ このマクスウェルによる数学上の解析とモデルによる実証の段は本書第９章に総括されているが、どうも総括的な略記に留まっており、論旨を分かりかねたのは残念である。）
ともあれ、ここまでで熱は一応は運動エネルギーによる「運動論」によって定義されるに至った。
万物がおこす熱さ或いは冷たさは、それら物体の微小な構成粒子によるランダムな運動による相互の衝突回数によっておこる。
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＜熱の拡散 エントロピー＞
そもそも熱の拡散にはなぜ方向があるのか。クラウジウスがまず打ち立てた主だった見識は以下。
熱力学の第１法則： 熱とその仕事は、（ジュールが発見した）一定の交換レートで相互交換が出来るが、これら足し合わせた総量は変化しない。
つまり熱とその仕事にはエネルギー保存則が在る。
熱力学の第２法則： 熱が低温の場所から高温の場所へ「ひとりでに」流れることはけしてない。
これを工業技術の系としてみれば、或る熱機関から取り出せる仕事の最大量は、この熱機関の作動物質や構造には左右されないことになる。
熱の拡散の程度として、「エントロピー」という物理量を定義。
エントロピーは或る独立した系（宇宙）において増加もすれば減少もし、また増加量は減少量よりも大きくなる、と定義。
（但しこのエントロピー増加の速さまでは定義表現しなかった。）
ここでクラウジウスは熱力学の法則を表現しなおし、
第１法則： 或る独立した宇宙のエネルギー総量はつねに一定である。
第２法則： 或る独立した宇宙のエントロピー量は最大量に向かって増える一方である。
ボルツマンは運動論による熱の定義をもとに、或る独立した宇宙のエントロピーが必ず増大する由を導いた。
そもそも、運動する粒子の’運動エネルギー’は、高速運動の粒子ほど大きく、低速運動の粒子ほど小さい。
これらの粒子同士がランダムに衝突しあうと、それぞれの運動エネルギーは他の粒子へ’受け渡し’がされていく。
そして、これが経過時間とともに進展していく。
ここでボルツマンによる単純な数理モデル化によれば、或る時間において特定の分子に運動エネルギーが偏在している’状態の場合数’よりも、時間経過に応じたランダムな衝突によってあらゆる分子に運動エネルギーがほぼ均等に渡った’状態の場合数’の方が遥かに多いことがあ判然とする。
これを或る独立した系（宇宙）に適合させてみれば、その構成分子（粒子）ごとの運動エネルギーは経過時間とともにランダムに拡散してゆく一方である ─ つまりエントロピーは不可逆的に増大する一方である。
統計力学としてまとめられたエントロピーの公式が S=klogW
（Sがエントロピーの量、kがボルツマン定数つまり物質の温度とエネルギーの関係係数、Wが状態の場合数）
また、これを何らかのランダムな事象の発生確率から捉えると、エントロピーの小さい「当初の事象」の発生確率は低く、エントロピーの大きい「バラついた事象」の発生確率はとてつもなく高いことになる。
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＜化学反応とエントロピー＞
ジョサイア＝ウィラード＝ギブズは、クラウジウス以来の熱力学第１法則と第２法則を言い換えて、あらゆる化学反応プロセスとエントロピーの増減のかかわりを明らかにした。
・或る独立した系（宇宙）において複数の物質間で化学反応がおこる（エネルギーが流れる）と、エントロピーは増大していく
これがギブズの法則であり、物質間の化学反応はエントロピーを必ず増大させていくので「自発的反応」とも称す。
一例を挙げると、或る系において個体の炭素があるとしてこれはエネルギーが密に詰まった状態なのでエントロピーは小さく、一方では気体の酸素があるとしてこちらはエネルギーが分散しているのでエントロピーは大きい。
ここで両者反応させると燃焼して二酸化炭素となるが、このプロセスでは個体炭素のエネルギーが分散してしまったことになり、しかも反応過程で放熱もするので、この系全体としてはエントロピーは二重に増大したことになる。
これは自発的反応であるので、二酸化炭素がひとりでにもとの個体炭素と酸素に戻ることはない。
自発的反応のもう一つの例として、或る系において気体の酸素（つまりエントロピー大）と気体の水素（こちらもエントロピー大）の燃焼から水蒸気が生成される反応をみる。
ここで、水蒸気生成だけみればむしろエントロピーは小さくなったことになるが、燃焼による放熱ではやはりエントロピーは増大し、しかも後者によるエントロピー増大量の方がはるかに多いので、この系全体としてはエントロピーは増大したことになる。
ただし、このケースではエントロピーの増大分と減少分の差分のエントロピーが残ることにはなり、この差は「自由エネルギー」として、他に平行して起こっている化学反応と共役させることも出来る。
この自由エネルギーをとくに「ギブズ自由エネルギー」と称し、地球上のあらゆる生命が体内外にて複数の化学反応（光合成などなど）を共役するさまを説明する。
尤も、放熱量は必ず増えていき、その放熱ごとに自由エネルギーは確実に失われていく ─ だからその系全体ではエントロピーは必ず増大していく。
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以上が第12章までの概略。
さて第１３章以降となると、振動の連続量としての電磁波／放射線と温度に対するプランクらの新たな着想とアプローチ、アインシュタインによる一般相対性理論、ネーター女史が物理学に持ち込んだ時間／空間の対称性の数学などなどと続き、統計数学としてのエントロピーを通信の情報理論に応用したシャノン、さらにチューリングからホーキングまで、現代物理学と宇宙論の概説がなされていく…。
あらためて本書全体を察するに、どの文脈も章立てもあくまで物理学の概説に留まったものではあろうが、物理学的な着想や思考のいわば多段のギヤチェンジがこれまで如何ようになされてきたものか、ざっと垣間見る上では本書はそこそこ楽しめる一冊といえよう。
（ところで、ボルツマンによる物質粒子の運動エネルギー受け渡しモデルは、本書にては特定の人間集団における通貨の流動配分フローに喩えられているが、このようにエネルギー量を通貨量として例示する教育手法は現在の河合塾などの物理参考書でも採用されているものであって、おそらくは万国共通で採用されているアイデアであろう。
理科と社会科の次元をウヤムヤにした乱暴なモデル化ともいえようが、数学的には直観しやすいものではある。）
以上