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ブラックホールはいかにエントロピーを消費するか

エントロピーは、物理学の全分野(この場合は熱力学)の中核をなす恐ろしく深い概念のひとつであるが、残念ながら数学的であるため、平易な言葉で説明するのは難しい。しかし、私たちはそれを試してみようと思う。エントロピーという言葉を目にするたびに、私はこの言葉を「シナリオをほぼ同じにして再配置できる方法の数を数える」という言葉に置き換えるのが好きだ。それは少し口が悪いので、エントロピーという言葉が必要になる。

週末の朝、あなたは起床し、寝室の掃除という大仕事に取り組むことにした。服を拾い、きれいにし、たたみ、しまう。シーツを整える。枕をふかふかにする。下着の引き出しを整理する。何時間もかかった後、あなたは自分の手際の良さに感心して後ずさりするが、すでに胃の中に不安が渦巻いているのを感じている。やがて、また散らかるのがわかっているからだ。

なぜなら、完璧に整然とした部屋、すべてのものに居場所があり、すべてのものが定位置にある部屋には、たったひとつの方法しかないからだ。この正確なシナリオを実現する方法はただひとつしかないのだ。完璧に清潔な部屋はエントロピーが非常に小さいと言えるかもしれない。

無秩序を導入してみよう。ペアになっていない靴下を1つ手に取り、部屋に放り投げる。部屋は散らかる。そして、この乱雑さを定量化することができる。孤独な靴下は床の上でもいい。ベッドの上でもいい。引き出しから半分出ていることもある。このシナリオ、つまりあなたの部屋に片付かない靴下が1つ出現するというシナリオを、全体像は同じままで並べ替える方法はいくつもある。エントロピーの方が高い。

そして、愛犬や子供たち、あるいは愛犬と子供たちが部屋に押し寄せてくる。カオスが起こる。あるべき場所に何もなく、同じレベルの混乱を達成する方法はほとんど、そして有限である。エントロピーは-そしてフラストレーションは-実に大きい。

物理学者がエントロピーの利用を好むのは、エントロピーがシステムの情報を符号化する便利な方法でもあるからだ。物理学者が扱いやすいエントロピーを測定することで、システム内の情報量を把握することもできるのだ。

これはブラックホールのような宇宙のあらゆる系に当てはまる。

1981年、物理学者Jacob Bekensteinが、ブラックホールとその事象の地平面について、2つの驚くべき直感的でない事実を発見した。ひとつは、ブラックホールに含まれる体積は、宇宙に存在する同程度の大きさの体積が持ちうるエントロピーの絶対量が最大であるということである。

別の言い方をすれば、ブラックホールは最大エントロピーの球体である。このことをよく理解してほしい。どんなに部屋が散らかっていても、意図的に、あるいは不注意にエントロピーを増大させても、部屋の大きさのブラックホールのエントロピーには絶対に勝てないのだ。この事実は、すぐに厄介な、しかし興味をそそられる疑問を投げかけるはずだ。宇宙の素晴らしい創造物の中で、なぜ自然はブラックホールを最もエントロピーを含むものとして選んだのだろうか?これは単なる偶然なのか、それとも量子力学、重力、情報のつながりについて何か貴重なことを教えてくれているのだろうか?

Bekensteinが発見したブラックホールに関する2つ目の事実を知れば、不安と興奮が交錯する感覚はさらに高まるはずだ。ブラックホールに情報を加えると大きくなる。それ自体は驚くべきことではないが、ブラックホールは – そしてブラックホールだけが – 、その体積ではなく表面積が、そこに入る新しい情報の量に比例して大きくなるのである。

恒星が惑星を消費したり、あなたがチーズバーガーを消費したりするように、宇宙の他のどの系をとっても、結合した系のエントロピーと情報は増大する。そして体積も増える(星にとってもあなたにとっても)。体積は情報量の増加に比例して増加する。しかし、ブラックホールは、まだ解明されていない何らかの理由で、この常識的な直観的図式に反しているのだ。


この記事は、PAUL M. SUTTER氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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