第二章 1分子気体パズルに挑む
試行錯誤その2〜信号の合流
2006/08/22  

私が考えた次なるアイデアは「一度使用した信号エネルギーをひとまとめに合流する」というものだ。 これについては以下の2Typeを考案した。

   Type1:出口合流Type

分子の熱運動を利用する悪魔の装置で一番の問題となるのは、装置が外界の熱源と接する部分〜入口と出口である。 そこで、入口と出口を極力少なくまとめることを考える。 最低限必要なのは、外界の熱源から熱エネルギーを取り入れる入口と、仕事を取り出す為の出口、この2つは外せない。 前の節で考えた”複数の悪魔”のような装置には、複数の”信号エネルギーの出口”があった。 これらの出口を何とか1つにまとめることができれば、悪魔の装置が実現味を帯びてくる。 熱ゆらぎと接する出口が1つだけならば、装置内部で信号がどれほど多くの状態を持とうとも、信号強度は一定のままで済む。 従って(情報量/信号エネルギー)はいくらでも増やせることになるだろう。
具体的にどうやって信号を1つにまとめるのかというと、単に「合流」させるだけでよい。 例えば、信号の粒子が力学的な質点〜ビリヤードの玉のようなものだったとしよう。 2つの別々の方向から転がってきた玉の軌跡を1つに揃えるには、Y字型の管を通せばよいだろう。 玉が右の入口から入っても左から入っても、1つの出口から出てゆくようにY字管を滑らかなカーブで構成する。 信号が電気だった場合はもっと簡単で、単に2本の線を1箇所に結び合わせるだけでよい。 あまりにも単純な話ではあるが、

1:Y字型の管や結線によって信号を1つにまとめられるのはれっきとした事実。
2:理論上、複数の信号を1つにまとめることができれば第二種永久機関が実現できる。
ということで、悪魔の装置が実現できることになる。

   Type2:複数回収Type

上記Type1をもう少し発展させて、いっそのこと信号の出口をなくしてしまおうという試みが、次に述べるType2である。 もし一度測定を終えた信号を一つにまとめることができたなら、その信号エネルギーを使い捨てにするのはあまりにももったいない話だ。 信号エネルギーを再利用できれば、エネルギーの面でこれ以上有利なことはない。 信号エネルギーの再利用にはもう1つ大きな利点がある。 測定から再利用まで一巡する間、信号は外界の熱ゆらぎに一度もさらされない。 信号だけで完全に閉じた回路を形作れるので、熱雑音や信号強度について難しいことを一切考慮する必要がなくなる。
再利用するということは、使用前の状態に戻すということである。 測定する前と後とで、いったい信号の何が変わるのだろうか。 測定の対象となる分子がN通りの状態をとるものであれば(例えば2つの部屋のどちらかに入っている場合は2通り)、信号はこのN通りの状態を伝達できなければならない。 測定以前の信号の状態が1通りだったのに対して、測定以後の信号はN通りの状態のうちのいずれかをとっているわけだ。 この「1通り」対「N通り」の違いが信号の使用前と使用後の本質的な違いである。 だから、N通りの信号を「合流」させてもとの1通りに戻してやれば、信号エネルギーを何度でもリサイクルすることが可能となる

以上、2typeの悪魔の装置が実現できるか否かは、結局「複数の状態の信号を1つにまとめることができるかどうか」にかかっている。 ここで、「信号をまとめる法」についていま一度じっくり考え直してみよう。 上に、2つの信号を1つにする最も単純な方法は「Y字型の管」を通して合流させることだと書いた。 直感的に考えて、これより単純な方法はないだろう。 あまりに単純なので、この”Y字管”のどこかに見落としがあるとも思えないのだが、今回の永久機関にはここしか疑わしい箇所は見当たらない。 そこで、第二種永久機関の嘘を見破る公式的おまじない「逆転の発想〜装置を逆向きに動かしてみる」を適応してみよう。 Y字管の出口から逆に玉を入れてみる。 すると玉は右から出るだろうか、それとも左からか。 常識的な答は”ほんのわずかの偶然で”右か左か決まるというものだろう。 この”わずかの偶然”の正体は何だろうか。 Y字管と玉が正確にできていたとすれば、残るは
 1:玉を入れるときに正確に真中に入れなかったか、
 2:玉がちょうど分岐点にさしかかったとき、外からちょっとした”ゆらぎ”を受けたか、
のいずれかであろう。

1:の場合は「玉は一見出口で1つに合流したかのように見えるが、よく見ると玉には2状態あって同一ではない」ことを意味する。 例えば、右の入口から入った玉は出口では右回転しており、左から入ってきたものは左回転しているといった具合に。 だから逆に出口の方から玉を入れれば、ほんの少しでも右回転しているものは右に、左回転しているものは左に行くことになる。 もし正確に回転0で玉を入れれば・・・玉は分岐点に引っ掛かって止まるはずだ。 結局これは左右2つの入口から入った玉の状態を、左右の回転の違いに置き換えただけに過ぎず、本当の意味で「2状態を1状態に合流した」とはいえない。 たとえ玉を回転0で正確に真中に入れたとしても、実際のY字管では中央に引っ掛かるなどということはまずあり得ない。

2:外からのちょっとした”ゆらぎ”を受けて左右どちらかに行くことだろう。 この外からのちょっとした”ゆらぎ”とは、我々がこれまで「熱ゆらぎ」と呼んできたものに他ならない。 外から熱ゆらぎを受けなければ、1状態だった玉が右か左かの2状態に分かれることはない。 逆に、左右の入口から入った玉が合流点で一つになるためには、ほんのわずかばかりのエネルギーを熱の形で外に捨てなければならないのである。 Y字管をどれほど上手に、滑らかに作っても玉は合流点で必ず少しだけ勢いをそがれる。 エネルギーを失わずに合流することは不可能なのだ。 (2本の川が1つに合流する所をよく観察するとよい。2つの水がスムースに合流する所など実際にはほとんど無い。出会い頭にぶつかり合い、うず潮のような複雑な流れが生じていることであろう。)

結局、一見あたりまえに思える「合流」ということも、つぶさに考察すれば永久機関としては利用できないということだ。 そもそも熱運動から利用可能な仕事を取り出すという作業は、「ランダムな運動を1つの向きに揃える」ということであった。 これが不可能なことは、前章ですでに見てきた通りである。 熱運動する分子を箱に閉じ込め、話を測定信号に置き換えたとしても本質的な結論は変わらない。 これまでにしてきたことは、実はただの置き換えに過ぎなかったのである。

「ランダムな熱運動」 -> 「どの部屋に入っているか分からない分子」 -> 「N通りの信号」
ただ、熱運動を信号に置き換えることによって、当初漠然と「1つの向きに揃える」といっていた内容の本質が浮き彫りにされてきた。
もし「N通りの信号を1通りにまとめることができれば」第二種永久機関は実現できる。 物理的に実在するものであれば、”信号”は具体的に何であっても構わない。 力学的な玉でも、電気パルスでも、特殊な粒子や分子でも何でもよい。 どんなものでもよいから、要は「N通り(複数)の状態から1通りの状態を作れないだろうか」という問題なのである。
もし、N通りの状態から1通りの状態ができたとすれば、これを「逆転の発想〜逆に動かしてみたら」どうなるか。 それは1通りの、同一の原因から異なるN通りの結果が生じることを意味する。 今日まで、我々はこのような現象を(日常レベルでは)目にしたことはないし、今後もないだろうと信じている。 1通りの原因からはただ1通りの結果が、N通りの状態の原因からはN通りの状態の結果が生じる、これが我々の信じる物理法則なのである。

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