時間の流れは不可逆的なものであるというのが世間一般の常識だろう。例えば、割れたガラスのコップは、勝手に元に戻ることはない。だが、現代物理学の世界では時間は不可逆的なものとは考えられていない。ほとんどの場合、物理法則は時間の向きをほとんど気にしていない。物体の動きを表す方程式をひっくり返せば、その物体がどこから始まったかを簡単に計算することができる。私たちはこのような法則を、時間の可逆性と表現している。

例えば、振り子のビデオを逆回転させても同じように見える。私たちが時間を不可逆的と考えるのは、熱力学第二法則のためである。この法則によれば、システムの無秩序（エントロピー）は常に増加する。もし割れたガラスコップが再び組み立てられたら、無秩序は減少するだろう。

物質系が時間的に可逆的なのか、エントロピーによって駆動されているのかは、何によって決定されるかに依存する。古い車が錆びたり、彫像が風化したり、漂着した船が着実に朽ち果てていくことは容易に想像できるが、ガラスのような材料は、外部の腐食力とは無関係にゆっくりと変化することがある。この変化も不可逆的なものと思われるかも知れない。しかし、ダルムシュタット大学のTill Böhmer氏を中心とした研究者らは、そうではないことを発見した。彼らは、ガラスやプラスチック中の分子の運動は、特殊な角度から見れば、時間的に逆転することを発見したのである。

ガラスやプラスチックのようなアモルファス固体を含む非結晶性物質は、分子の絡み合ったネットワークでできている。これらの分子は常に動き、位置を変えている。分子は常にエネルギーの低い状態を探しており、それが時間の経過とともに素材の特性に影響を与える。

しかし、このプロセスは、窓ガラスのように何十億年もかかるものもある。この老化プロセスは「物質時間」で説明することができる。素材には、壁の時計とは異なる時を刻む「内部時計」がある。素材の分子がどれだけ速く再配列するかによって、素材の時間は速くなったり遅くなったりする。

この概念は1970年代初頭からあったが、Tool–Narayanaswamy formalismとして知られるその解釈は、実験的に測定されたことはない。物質的な時間を測定することに成功した者はいまだかつていなかったのだ。今回、ダルムシュタット大学のThomas Blochowicz氏を中心とした研究者らが、それを初めて実現した。

「実験的には大きな挑戦でした」とBöhmer氏は言う。分子の小さな動きを非常に感度の高いビデオカメラで記録しなければならなかった。「分子がピクピク動くのをただ見ているだけではだめなのです」とBlochowicz氏は言う。

しかし、彼らは何かを見た。ガラスサンプルにレーザーを照射した。ガラスの分子は光を散乱させた。散乱光は重なり合い、カメラセンサー上に明暗のランダムなパターンを作り出した。統計的手法を用いて、そのパターンが時間とともにどのように変化するかを計算することができた。これにより、材料の内部時計がどれくらいの速さで時を刻んでいるかがわかった。「このためには、最新のビデオカメラでしか不可能な極めて精密な測定が必要でした」とBlochowicz氏は言う。

結果は驚くべきものだった。デンマークのロスキレ大学の研究者の協力を得て、材料の時間に関する分子の動きを分析した。その結果、これらの動きは時間的に可逆的であることがわかった。つまり、振り子のビデオのように物質的な時間が逆行しても同じように見えるというのだ。

「しかし、これは物質の老化が逆転することを意味するわけではありません」とBöhmer氏は強調する。むしろこの結果は、物質的時間の概念が、素材の老化の不可逆的な部分を捉えるのに適した方法であることを示している。その刻みは、素材そのものの時間の経過を表しているのだ。全体として、システムはエントロピーによって決定される状態に落ち着く運命にある事には変わりはない。

研究者たちはまた、素材の中で動いている一部のものだけが老化に寄与していることも発見した。物質の時間に関係する動きだけが重要なのだ。このことを説明するために、研究者たちは車の後部座席で遊んでいる子供たちは車の動きに影響を与えないと例えている。

研究者らは、この発見はガラスやプラスチックだけでなく、すべての無秩序な材料に当てはまると考えている。研究者たちは、2種類の材料を調べ、コンピューター上でモデル材料をシミュレーションして、この仮説を検証した。その結果、すべてのケースで同じ結果が得られた。

「これにより、私たちには答えのない疑問が山ほど残ります。例えば、物質の時間の可逆性が、自然界の物理法則の可逆性とどのように関係しているのか、あるいは物質によって内部時計がどのように違うのか知りたいのです」と、Blochowicz氏は述べている。

論文

• Nature Physics: Time reversibility during the ageing of materials

参考文献

• Technishce Universitat Darmstadt: The internal clock of materials

研究の要旨

物理的経時変化とは、分子の再配列に起因するガラス質材料の不可逆的な過程の総称である。このような経年変化を記述するための一つの形式論として、物質時間という概念がある。これは、ガラスが経年変化するにつれて速度が変化する時計で計測される時間と考えることができる。しかし、物質時間を実験的に決定することは、これまでのところ実現されていない。ここでは、動的光散乱測定がどのように前進の道を開くかを示す。ガラス形成体である1-フェニル-1-プロパノールのガラス転移に近い温度ジャンプ後のエージングサンプルの物質時間を、マルチスペックル動的光散乱によってプローブされた強度ゆらぎの時間自己相関関数から決定した。これらの揺らぎは、物質時間の関数とみなすと、定常的で可逆的であることが示された。ガラスを形成するコロイド状合成粘土ラポナイトと化学的に老化する硬化エポキシも、物質時間可逆的な散乱光強度ゆらぎを示すことが示され、ポテンシャルエネルギーをモニターする老化二元系のシミュレーションにより、物質時間可逆性が確認された。また、ポテンシャルエネルギーをモニターした経時変化二元系のシミュレーションにより、物質時間の可逆性が確認された。物質時間の直接的な測定に加え、我々の発見は、現在の経時変化の理論に挑戦する、全く異なる文脈における経時変化の基本的な特性を明らかにした。