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マクスウェルの悪魔、降臨?

物理学の学術雑誌Nature Physicsによると、東京大学の研究グループがあの「マクスウェルの悪魔」を生み出すことに成功したそうだ。

このニュース、マスコミの話題にもなったので耳にした人も多いだろう。「情報をエネルギーに転換することに成功」なんて報道されていたので、なんのことやらわからない、という人も多いかもしれない。

「マクスウェルの悪魔」はスコットランドの物理学者、ジェームス・マクスウェルが行った思考実験で提唱した悪魔だ。

Maxwell
上の図を参照すると、悪魔が二つの部屋の真ん中に立っている。その左手は二つの部屋を仕切っている扉にかけられており、右手は懐中電灯のようなものを持っている(これは実は観測機器だ)。
AとBの部屋にある玉は空気(気体)の分子を表し、それぞれについている矢印の長さが分子の動いているスピードを示す。
速く動いている気体の分子が集まると動きが激しいので「暖かくなる」一方、遅い分子ばかり集めれば寒くなる。
もし、悪魔が手元の観測機器を用いて分子の速度を測定して、速い速度で動く分子を見つけたらBの部屋からAの部屋にいけるように真ん中の壁についているドアを開けてあげる。
反対に遅い速度の分子を見つけたらAの部屋からBの部屋に分子がいくように扉を開けてあげる。

この行動を延々と繰り返せば、いつかAの部屋には速度の速い気体分子だけが集まり(その結果室温は暖かくなる)、Bの部屋には速度の遅い気体分子だけが集まる(結果として室温が低くなる)。

悪魔は気体分子そのものには一切触れていない(ドアを開け閉めしただけだ)ので、気体分子には一切影響(エネルギー)を与えていない。悪魔は「気体分子の速度が速いか、遅いか」という「情報」のみを得ることによって二つの部屋に温度差を作り出すことに成功したわけだ。AB二つの部屋に温度差がない状態(速度の速い気体分子と遅い気体分子がごちゃまぜになっている)よりも、ABのへやに温度差がある状態(それぞれの部屋に同じ速度の気体分子が集まっている)のほうが「秩序がある」といえる。
これは外部からエネルギーを加えることなく「秩序」は形成されない、という熱力学の第二法則に反した結果になってしまう。

まあ、実際には分子の速度に応じて扉を開け閉めできる悪魔のような存在は実在しないわけで、これは純粋な思考実験となる。

ところが今回、東京大学の研究チームはこれに匹敵することをやってのけた。

方法はこうだ。

まずナノスケールの小さな細長いポリスチレンビーズをつくり液体の中に沈める。
このビーズは時計回り、反時計周りのどちらにも水中で回転することができる。

次にこの液体に電圧をかけることによって反時計回りの方向には360度グルッと回転するのが難しい状態にする。この状態を「螺旋階段を昇る」とたとえ、時計回りに回転することを「螺旋階段を下りる」と表現している。つまり、階段の「上るのは大変だが、下りるのは楽」ということを比喩的に用いたわけだ。

さて、なにもしないでこのビーズを放置すると、ビーズはランダムに回転を始める。ときに反時計回りに回転(階段を上る)ものの、ほとんどの場合時計回りに回転する(階段を下りる)状態になる。
このとき研究者たちはマクスウェルの悪魔を演じた。ビーズが反時計回転を始めるのを観測したとき(「回転の状態」という情報を取得したとき)液体にかけてある電圧を変化させてビーズが反時計回りを続けるように仕向ける(つまり、階段を上ったままの状態にする)。このとき電圧を変化させただけなので、ビーズそのものにはエネルギーを加えてはいない。したがって「ビーズの回転の状態」という情報をもとにビーズにエネルギーを与えることなく、反時計まわりを維持する(階段を上った状態を維持する)。
つまり、マクスウェルの悪魔が成立する。これがつまり「情報がエネルギーに変換された」ということになるわけだ。

しかし、門外漢の私にはわかったようなわからないような・・・というのが本音。

そもそも「情報」とはなんなのか、ということまで考えたくなってしまう。ずーーーっと昔にシャノンの情報理論というのをちょっとだけ習った記憶もあるが・・・ぜんぜん覚えていない・・・・。


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  • Date : 2010-11-17 (Wed)
  • Category : 科学
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