What is entropy? - Jeff Phillips

エントロピーって何？―ジェフ・フィリップス

翻訳: Satya Srk 校正: Tomoyuki Suzuki

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

化学と物理学において ある重要な概念があります

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

それは物理的な変化がなぜ一方向のみに 起こるのか 説明の手助けとなるものです

why ice melts,

なぜ氷は溶けるのか

why cream spreads in coffee,

なぜクリームはコーヒーに広がるのか

why air leaks out of a punctured tire.

なぜ穴の開いたタイヤから空気は抜けるのか

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

それがエントロピー 理解することが難しいことで有名な概念です

Entropy is often described as a measurement of disorder.

エントロピーとは多くの場合 「無秩序の程度」だと説明されています

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

これは便利なたとえですが 残念ながら紛らわしいのです

For example, which is more disordered -

次の例では どちらがより無秩序でしょうか

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

カップに入った砕けた氷？ それともグラスに入っている室温の水？

Most people would say the ice,

ほとんどの人が氷だと言うでしょう

but that actually has lower entropy.

ですが 本当は氷の方が エントロピーが低いのです

So here's another way of thinking about it through probability.

では確率を用いる別の考え方を 紹介しましょう

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

理解に手間取るかもしれませんが 時間をかけて習得して下さい

and you'll have a much better understanding of entropy.

エントロピーへの理解が 前よりも深まるはずです

Consider two small solids

２つの小さな固体を考えましょう

which are comprised of six atomic bonds each.

それぞれには 原子間の６つの結合があります

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

このモデルでは 各固体のエネルギーは 結合の中に蓄えられています

Those can be thought of as simple containers,

単純なコンテナだと考えれば良いでしょう

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

これは「量子」と呼ばれる 分割不能なエネルギーの単位を含んでいます

The more energy a solid has, the hotter it is.

固体のエネルギーが増すと より熱くなります

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

エネルギーの総和を一定にしたまま

in the two solids

２つの固体に

and still have the same total energy in each.

エネルギーを分配する方法は 沢山あることが分かります

Each of these options is called a microstate.

これら選択肢のそれぞれは 「ミクロ状態」と呼ばれています

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

固体Aの６つのエネルギー量子と 固体Bの２つに対して

there are 9,702 microstates.

9,702のミクロ状態が存在します

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

もちろん この８つのエネルギー量子の 配分の仕方は他にもあります

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

例えば 全てのエネルギーが固体Aにあり Bにはない場合や

or half in A and half in B.

AとBに半分ずつという場合などです

If we assume that each microstate is equally likely,

各ミクロ状態が 等しい確率で起こると仮定すると

we can see that some of the energy configurations

あるエネルギーの配分が起こる確率は

have a higher probability of occurring than others.

他のエネルギー配分よりも 高くなるということが起こります

That's due to their greater number of microstates.

これはより多くの ミクロ状態があるためです

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

エントロピーとは 各エネルギー配分に対する 確率を測る直接的な尺度なのです

What we see is that the energy configuration

ここで見て取れることは

in which the energy is most spread out between the solids

固体間でエネルギーが最も分散している エネルギーの配分が

has the highest entropy.

最も高いエントロピーを持つということです

So in a general sense,

よって 一般的な意味では

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

エントロピーは このようなエネルギー分散の 尺度だと考えることが出来ます

Low entropy means the energy is concentrated.

低エントロピーとは エネルギーが集中している状態

High entropy means it's spread out.

高エントロピーとは エネルギーが 広く分散している状態を意味しているのです

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

例えば熱い物体が冷めるといった 自然に起こる現象を説明するのに

like hot objects cooling down,

なぜエントロピーが 役立つのかを知るためには

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

エネルギーのやり取りがある 力学系に注目する必要があります

In reality, energy doesn't stay put.

現実には エネルギーは 元の場所に留まっていません

It continuously moves between neighboring bonds.

隣接する結合間を絶え間なく 動いています

As the energy moves,

エネルギーが動くと

the energy configuration can change.

エネルギー配分が変化する 可能性があります

Because of the distribution of microstates,

ミクロ状態の分配から計算すると

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

その後の系の状態は エネルギーが最も分散した―

in which the energy is maximally spread out,

状態になる確率は21％あり

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

元の状態に戻る確率は13%

and an 8% chance that A will actually gain energy.

固体Aがさらにエネルギーを 得る確率は８％となります

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

ここでも エネルギーが集中した状態よりも

and high entropy than concentrated energy,

エネルギーが分散した高エントロピー 状態の方がより多くあるので

the energy tends to spread out.

エネルギーは分散する傾向が あることが見て取れます

That's why if you put a hot object next to a cold one,

だから 熱い物体を 冷たい物体の横に置くと

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

冷たい物体は温まり 熱い方は冷めるのです

But even in that example,

しかしこんな例の中でも

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

熱い物体がもっと熱くなる確率が ８%あります

Why doesn't this ever happen in real life?

これが現実には決して起こらないのは なぜでしょう？

It's all about the size of the system.

要は系の大きさ次第なのです

Our hypothetical solids only had six bonds each.

我々の仮想固体には それぞれ６つしか結合がありません

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

規模を大きくして６千個分と８千個分の エネルギーで結合している固体を考え

and again start the system with three-quarters of the energy in A

ここでも 始めに Aにエネルギーの４分の３を―

and one-quarter in B.

Bに４分の１を系に与えてみましょう

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

ここで Aが自然に エネルギーを増加させる確率は

is this tiny number.

こんな僅かな値だということです

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

見慣れた日用品は これよりも 何倍も何倍も多い粒子で出来ています

The chance of a hot object in the real world getting hotter

熱い物体が現実世界で もっと熱くなる可能性は

is so absurdly small,

話にならないほど低いので

it just never happens.

決して起こらないのです

Ice melts,

氷は溶け

cream mixes in,

クリームは混ざってしまい

and tires deflate

タイヤはぺちゃんこ

because these states have more dispersed energy than the originals.

元の状態よりもずっとエネルギーが 分散しているから起こるのです

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

エントロピーをより高くするような 不思議な力というものがあるのではなく

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

単に高エントロピーはどんな時でも 統計的に起こりやすい状態というだけなのです

That's why entropy has been called time's arrow.

それがエントロピーが「時間の矢」と 言われてきたゆえんです

If energy has the opportunity to spread out, it will.

エネルギーは分散する機会さえあれば 必ず分散するのです